4. ´INDICE GENERAL iii
6. El teorema de Taylor 140
7. Sucesiones y series 147
7.1. Sucesiones num´ericas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.1.1. Teorema de Bolzano–Weierstrass . . . . . . . . . . . . 149
7.1.2. El criterio de Cauchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.2. Series num´ericas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.2.1. Criterios de convergencia . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.3. Sucesiones y series de funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.3.1. Convergencia uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.3.2. Series de funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.4. Series de Taylor y series de potencias . . . . . . . . . . . . . . 166
5. Cap´ıtulo 0
Preliminares
Aunque aceptaremos la noci´on de conjunto como un concepto primiti-
vo (es decir, no definido en t´ermino de otros conceptos m´as fundamentales),
la idea intuitiva de conjunto es la de una colecci´on de objetos. Es esencial
que la pertenencia de un objeto a un conjunto determinado sea una no-
ci´on bien definida y no ambigua. Por ejemplo, A = 1, 2,
√
7, Espa˜na es
un conjunto, al igual que B = {x : x es ciudadano espa˜nol}, mientras que
C = {x : x es un pa´ıs desarrollado} no lo es. Usaremos la notaci´on x ∈ A
(respectivamente x /∈ A) para denotar que x es (respectivamente no es) un
elemento del conjunto A. Denotaremos por ∅ al conjunto vac´ıo, definido
como aqu´el conjunto que no posee ning´un elemento. Por ejemplo,
x ∈ N : x2
< 0 = ∅.
Dados dos conjuntos A y B, diremos que A est´a contenido en B (´o que
A es un subconjunto de B), y escribiremos A ⊂ B, si todo elemento de A
est´a tambi´en en B. Simb´olicamente,
A ⊂ B ⇐⇒ (x ∈ A ⇒ x ∈ B).
La notaci´on B ⊃ A significa lo mismo que A ⊂ B. Por definici´on, dos
conjuntos A y B son iguales (lo que ser´a denotado por A = B) si A ⊂ B y
B ⊂ A. Equivalentemente,
A = B ⇐⇒ (x ∈ A ⇔ x ∈ B).
Utilizaremos a veces la notaci´on A B para indicar que A ⊂ B y A = B.
Dado un conjunto A, denotaremos por P(A) al conjunto de las partes
de A, definido como el conjunto de los subconjuntos de A:
P(A) = {B : B ⊂ A} .
La relaci´on de inclusi´on (⊂) es una relaci´on de orden parcial en P(A),
ya que goza de las siguientes propiedades:
1
6. CAP´ITULO 0. PRELIMINARES 2
i) ∀B ∈ P(A), B ⊂ B (propiedad reflexiva)
ii) ∀B, C ∈ P(A), B ⊂ C y C ⊂ B =⇒ B = C (prop. antisim´etrica)
iii) ∀B, C, D ∈ P(A), B ⊂ C y C ⊂ D =⇒ B ⊂ D (propiedad transitiva)
Evidentemente, cualquiera que sea A los conjuntos ∅ y A son subconjuntos
de A (i.e., son elementos del conjunto P(A)). A estos dos subconjuntos en
cierto modo triviales se les llama subconjuntos impropios de A, mientras
que un subconjunto propio de A es cualquier subconjunto de A distinto de
∅ y de A.
Dados dos conjuntos A y B, se definen los conjuntos A∩B (intersecci´on
de A con B) y A ∪ B (uni´on de A y B) mediante
A ∩ B = {x : x ∈ A y x ∈ B} , A ∪ B = {x : x ∈ A ´o x ∈ B} .
Obviamente, A∩B ⊂ A, B ⊂ A∪B. Denotaremos por A−B a la diferencia
de los conjuntos A y B, definida por
A − B = {x ∈ A : x /∈ B} = A ∩ {x : x /∈ B} .
La uni´on y la intersecci´on de conjuntos gozan de las siguientes propie-
dades elementales:
i) A ∩ B = B ∩ A, (A ∩ B) ∩ C = A ∩ (B ∩ C)
ii) A ∩ B = A ⇐⇒ A ⊂ B
iii) A ∩ ∅ = ∅
iv) A ∪ B = B ∪ A, (A ∪ B) ∪ C = A ∪ (B ∪ C)
v) A ∪ B = A ⇐⇒ B ⊂ A
vi) A ∪ ∅ = A
vii) A ⊂ B =⇒ A ∩ C ⊂ B ∩ C, A ⊂ C, B ⊂ C =⇒ A ∪ B ⊂ C
La uni´on y la intersecci´on verifican adem´as las siguientes propiedades dis-
tributivas:
i) A ∩ (B ∪ C) = (A ∩ B) ∪ (A ∩ C)
ii) A ∪ (B ∩ C) = (A ∪ B) ∩ (A ∪ C)
Demostremos, por ejemplo, la primera de estas igualdades. En virtud
de la definici´on de igualdad de dos conjuntos, basta probar que el miembro
izquierdo est´a contenido en el miembro derecho y viceversa.
En primer lugar,
B, C ⊂ B ∪ C =⇒ A ∩ B ⊂ A ∩ (B ∪ C), A ∩ C ⊂ A ∩ (B ∪ C),
7. CAP´ITULO 0. PRELIMINARES 3
de donde se deduce que el miembro derecho est´a contenido en el miembro
izquierdo. Rec´ıprocamente, si x ∈ A ∩ (B ∪ C) entonces x ∈ A y x ∈ B ∪ C,
es decir x ∈ A y x ∈ B ´o x ∈ A y x ∈ C , de donde se deduce que
x ∈ (A∩B)∪(A∩C). Esto prueba que el miembro izquierdo est´a contenido
en el miembro derecho.
En general, si I es un conjunto de ´ındices arbitrario (finito ´o infinito)
tal que a todo i ∈ I le corresponde un conjunto Ai, se define la uni´on y la
intersecci´on de la familia de conjuntos {Ai : i ∈ I} mediante las f´ormulas
i∈I
Ai = {x : ∃j ∈ I tal que x ∈ Aj}
i∈I
Ai = {x : x ∈ Aj, ∀j ∈ I} .
El producto cartesiano de dos conjuntos A y B es el conjunto
A × B = (x, y) : x ∈ A, y ∈ B .
N´otese que en esta definici´on (x, y) es un par ordenado. En otras palabras,
(x1, y1) = (x2, y2) ⇐⇒ x1 = x2 e y1 = y2.
De esto se deduce que A × B no tiene por qu´e ser igual a B × A. (Ejercicio:
¿cu´ando es A×B = B×A?) M´as generalmente, dados n conjuntos A1, . . . , An
definiremos su producto cartesiano mediante
A1 × A2 × · · · × An = (x1, x2, . . . , xn) : xi ∈ Ai, ∀i = 1, 2, . . . , n .
En particular, si A1 = A2 = · · · = An = A escribiremos
A × A × · · · × A
n veces
= An
.
En otras palabras,
An
= (x1, x2, . . . , xn) : xi ∈ A, ∀i = 1, 2, . . . , n .
Ejercicio. ¿Son iguales los conjuntos ∅, {∅}, {∅} ?
8. Cap´ıtulo 1
La recta real
1.1. Concepto de cuerpo
Definici´on 1.1. Un cuerpo es un conjunto F en el que hay definidas dos
operaciones + : F × F → F, · : F × F → F (suma y producto, respecti-
vamente) y dos elementos 0 = 1 que cumplen las propiedades siguientes:
I) (F, +) es grupo abeliano: si x, y, z ∈ F se tiene
i) x + y = y + x (propiedad conmutativa)
ii) (x + y) + z = x + (y + z) (propiedad asociativa)
iii) x + 0 = x, ∀x ∈ F (elemento neutro ´o cero)
iv) ∀x ∈ F, ∃y ∈ F tal que x + y = 0 (inverso respecto de la suma)
II) (F − {0}, ·) es grupo abeliano: si x, y, z ∈ F se tiene
v) x · y = y · x (propiedad conmutativa)
vi) (x · y) · z = x · (y · z) (propiedad asociativa)
vii) 1 · x = x, ∀x ∈ F (elemento neutro ´o unidad)
viii) ∀x ∈ F con x = 0, ∃y ∈ F tal que x · y = 1 (inverso respecto del
producto)
III) Propiedad distributiva de la suma respecto del producto:
ix) x · (y + z) = x · y + x · z, ∀x, y, z ∈ F
A partir de ahora, escribiremos xy en lugar de x · y.
Ejemplo 1.2. Los conjuntos N y Z no son cuerpos. El conjunto Q s´ı lo es.
El cuerpo m´as peque˜no es el conjunto {0, 1} con la suma y multiplicaci´on
usuales m´odulo 2.
4
9. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 5
1.2. Consecuencias de los axiomas de cuerpo
Proposici´on 1.3. Si (F, + , · ) es un cuerpo entonces se cumple:
i) 0 es ´unico: si x + 0 = x, ∀x ∈ F, entonces 0 = 0.
En efecto, 0 + 0 = 0 (por ser 0 cero) = 0 (por ser 0 cero) ⇒ 0 = 0 .
ii) El inverso respecto de la suma es ´unico: x + y = 0 = x + y ⇒ y = y .
En efecto, y+(x+y) = y+(x+y ) ⇒ (y+x)+y = (y+x)+y ⇒ y = y .
• Debido a esta propiedad, podemos llamar a partir de ahora −x al
inverso de x respecto de la suma.
• De la unicidad del inverso respecto de la suma se deduce que −(−x) =
x, ∀x ∈ F.
• A partir de ahora, x − y denotar´a el n´umero x + (−y).
iii) Si a, b ∈ F, la ecuaci´on x + a = b tiene la soluci´on ´unica x = b − a.
iv) 1 es ´unico: si 1 · x = x, ∀x ∈ F, entonces 1 = 1.
v) El inverso respecto del producto es ´unico: si x = 0, xy = 1 = xy ⇒
y = y .
• Debido a esta propiedad, podemos llamar a partir de ahora x−1 =
1
x
al inverso de x respecto del producto.
• De la unicidad del inverso respecto del producto se sigue que x−1 −1
=
x, ∀x = 0, x ∈ F.
• A partir de ahora,
y
x
denotar´a el n´umero y
1
x
.
vi) Si x, y = 0, entonces
1
xy
=
1
x
1
y
.
vii) Si a, b ∈ F y a = 0, la ecuaci´on a x = b tiene la soluci´on ´unica x =
b
a
.
viii) ∀x ∈ F se tiene 0 · x = 0.
En efecto, 0·x = (0+0)·x = 0·x+0·x ⇒ 0·x = 0 (sumando −(0·x)).
Corolario 1.4. 0−1 no existe en ning´un cuerpo.
En efecto, ∀x ∈ F se tiene x · 0 = 0 = 1.
Todo cuerpo incluye los elementos 1 = 0, 1 + 1 = 2, 1 + 1 + 1 = 3, etc.,
an´alogos a los n´umeros naturales. La diferencia es que puede ocurrir que
k = 1 + 1 + · · · + 1
k veces
= 0. Por ejemplo, 2 = 0 en el cuerpo {0, 1}. Esto motiva
la siguiente definici´on:
10. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 6
Definici´on 1.5. La caracter´ıstica de un cuerpo es el n´umero natural p
m´as peque˜no tal que 1 + 1 + · · · + 1
p veces
= 0. Si 1+1+· · ·+1 es siempre distinto
de cero, diremos que la caracter´ıstica es cero.
Por ejemplo, {0, 1} tiene caracter´ıstica 2, mientras que Q tiene carac-
ter´ıstica 0. Todo cuerpo con caracter´ıstica 0 incluye el conjunto infinito
{1, 2 = 1 + 1, 3 = 2 + 1, . . . }, que es equivalente a N y denotaremos sim-
plemente por N a partir de ahora. Por el mismo motivo, un cuerpo de
caracter´ıstica 0 contiene tambi´en (conjuntos equivalentes) a Z y Q.
Proposici´on 1.6. Si la caracter´ıstica de un cuerpo es distinta de cero,
entonces es un n´umero primo.
Esto es consecuencia de la siguiente importante proposici´on:
Proposici´on 1.7. Sea F un cuerpo, y sean a, b ∈ F. Si ab = 0, entonces
a = 0 ´o b = 0.
Demostraci´on. Si a = 0, multiplicando por a−1 obtenemos b = 0. An´aloga-
mente, si b = 0 multiplicando por b−1 obtenemos a = 0. Q.E.D.
En particular, si la caracter´ıstica de un cuerpo fuera un n´umero natural
p = rs con 1 < r, s < p, entonces p = 0 ⇒ r = 0 ´o s = 0, y por tanto habr´ıa
un n´umero “natural” (r ´o s) menor que p e igual a cero.
Nota: para todo numero primo p, hay un cuerpo de caracter´ıstica p. Un
ejemplo es el cuerpo {0, 1, . . . , p − 1} con la suma y el producto ordinario
m´odulo p.
1.2.1. Potencias
Dado x ∈ F, definimos x1 = x, x2 = x · x, . . . , xn = x · x · · · · · x
n veces
(´o, si se
quiere, x1 = x y xn+1 = x · xn, recursivamente). Esto define xn para todo
n ∈ N. Adem´as, si n, m ∈ N se tiene
xn
xm
= xn+m
.
[Dem.: f´ıjese n y apl´ıquese inducci´on sobre m.]
Si x = 0, podemos definir xn para todo n ∈ Z imponiendo que la f´ormula
anterior sea v´alida para todo n, m ∈ Z. En primer lugar, como xn+0 =
xnx0 = xn (n ∈ N), debemos definir x0 = 1. An´alogamente, al ser x0 = 1 =
xn−n = xnx−n, debemos definir x−n =
1
xn
para todo n ∈ N. Definiendo de
esta forma xk para k ∈ Z, se demuestra que la f´ormula anterior es v´alida
para todo par de enteros m y n:
11. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 7
Demostraci´on. Si m ´o n son cero, o si n, m ∈ N, la afirmaci´on es trivial.
S´olo quedan por considerar los siguientes subcasos:
• n > 0, m = −p < 0, p ≤ n:
xn
xm
= xn−p
xp 1
xp
= xn−p
= xn+m
.
• n > 0, m = −p < 0, p > n:
xn
xm
= xn 1
xp−nxn
=
1
xp−n
= xn−p
= xn+m
.
• n < 0, m > 0: se reduce a los casos anteriores intercambiando n y m.
• n = −q < 0, m = −p < 0:
xn
xm
=
1
xq
1
xp
=
1
xqxp
=
1
xp+q
= x−(p+q)
= xn+m
.
Q.E.D.
N´otese que la definici´on x−1 = 1
x concuerda con el resultado que acaba-
mos de probar. Del mismo modo se demuestra que
x = 0 =⇒ (xn
)m
= xnm
, ∀n, m ∈ Z.
Obs´ervese, sin embargo, que hemos evitado definir 0−n para todo n ∈ N∪{0}
(ya que 1
0 no est´a definido en un cuerpo). Por ´ultimo, mencionaremos las
dos propiedades elementales pero ´utiles siguientes:
Si u = 0 y v = 0,
x
u
+
y
v
=
xv + yu
uv
.
∀x ∈ F, −x = (−1)x (=⇒ (−1)2 = 1).
1.3. Cuerpos ordenados
Recu´erdese que una relaci´on en un conjunto A es un subconjunto de
A × A. En Q, adem´as de las operaciones de cuerpo hay una relaci´on ≤ que
ordena los n´umeros racionales, y tiene propiedades bien conocidas. Estas
propiedades motivan la siguiente definici´on general:
Definici´on 1.8. Un cuerpo (F, + , · ) es un cuerpo ordenado si hay una
relaci´on ≤ definida en F que cumple las propiedades siguientes:
i) ∀x ∈ F, x ≤ x (propiedad reflexiva)
ii) Si x, y ∈ F, ´o bien x ≤ y ´o bien y ≤ x (´o ambas). Adem´as, si x ≤ y e
y ≤ x entonces x = y.
iii) Si x, y, z ∈ F, x ≤ y e y ≤ z =⇒ x ≤ z (propiedad transitiva)
12. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 8
iv) Si x, y ∈ F y x ≤ y, entonces x + z ≤ y + z, ∀z ∈ F
v) Si x, y ∈ F, 0 ≤ x y 0 ≤ y =⇒ 0 ≤ xy
A la relaci´on ≤ se la denomina relaci´on de orden.
A partir de ahora, la notaci´on x ≥ y ser´a equivalente a y ≤ x. Por
definici´on, x < y si y s´olo si x ≤ y y x = y. Tambi´en utilizaremos la notaci´on
y > x para indicar que x < y. Una consecuencia de estas definiciones y de
los axiomas de ≤ es la propiedad de tricotom´ıa: si x e y son elementos
cualesquiera de un cuerpo ordenado, se cumple exactamente una de las tres
relaciones x < y, x = y ´o x > y.
Ejemplo 1.9. Evidentemente, Q es un cuerpo ordenado. No lo es sin em-
bargo {0, 1}. En efecto, si definimos 0 < 1 entonces el axioma iv) implica
1 ≤ 0, y como 1 = 0 obtendr´ıamos la contradicci´on 1 < 0. Del mismo modo,
si defini´eramos 1 < 0 obtendr´ıamos 0 < 1. De forma an´aloga se prueba que
un cuerpo de caracter´ıstica no nula no puede ordenarse: basta sumar repeti-
damente 1 a ambos miembros de la desigualdad 0 < 1 ´o 1 < 0. Esto prueba
la siguiente
Proposici´on 1.10. Todo cuerpo ordenado tiene caracter´ıstica cero.
Es interesante observar que no hay forma de introducir una relaci´on ≤
en C de forma que (C, ≤) sea un cuerpo ordenado (m´as adelante veremos
la raz´on). En particular, no todo cuerpo de caracter´ıstica cero es un cuerpo
ordenado.
1.4. Consecuencias de los axiomas de orden
Proposici´on 1.11. Si (F, + , · , ≤ ) es un cuerpo ordenado, y x, y, z, . . .
denotan elementos de F, entonces se verifica:
i) (x < y, y ≤ z) =⇒ x < z
En efecto, x ≤ z por la propiedad transitiva. Si fuera x = z entonces
x ≤ y ≤ x ⇒ x = y por el axioma ii).
ii) x ≤ y ⇐⇒ 0 ≤ y − x ⇐⇒ −y ≤ −x ⇐⇒ x − y ≤ 0
Sumar sucesivamente −x, −y y x a la primera desigualdad.
iii) x < y =⇒ x + z < y + z, ∀z ∈ F
iv) xi ≤ yi ∀i = 1, . . . , n =⇒ n
i=1 xi ≤ n
i=1 yi; si adem´as xj < yj para
alg´un j ∈ {1, . . . , n} entonces n
i=1 xi < n
i=1 yi
La primera es consecuencia de aplicar repetidamente el axioma iv),
mientras que la segunda es consecuencia de la propiedad i).
13. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 9
v) x < y ⇐⇒ 0 < y − x ⇐⇒ −y < −x ⇐⇒ x − y < 0
Se demuestra como ii) utilizando iii).
Definici´on 1.12. Sea (F, + , · , ≤ ) un cuerpo ordenado. Diremos que
x ∈ F es positivo si x > 0, no negativo si x ≥ 0, negativo si x < 0, no
positivo si x ≤ 0.
Por tanto, 0 es el ´unico n´umero no positivo y no negativo a la vez.
1.4.1. Relaciones entre ≤ y ·
Proposici´on 1.13. Si (F, + , · , ≤ ) es un cuerpo ordenado, y x, y, z son
elementos de F, entonces se cumple:
i) x > 0, y > 0 =⇒ xy > 0
Como x ≥ 0 e y ≥ 0, por el axioma v) xy ≥ 0. Si fuera xy = 0,
entonces x = 0 ´o y = 0, contradiciendo la hip´otesis.
ii) x ≤ y, z ≥ 0 =⇒ xz ≤ yz
(“Se pueden multiplicar las desigualdades por n´umeros positivos”.) En
efecto, y − x ≥ 0 y z ≥ 0 implica por el axioma v) que z(y − x) ≥ 0 ⇒
xz ≤ yz.
• N´otese que x < y, z > 0 =⇒ xz < yz (ya que xz = yz ⇒ x = y al
ser z = 0.)
iii) x ≤ 0, y ≥ 0 =⇒ xy ≤ 0; x ≤ 0, y ≤ 0 =⇒ xy ≥ 0
Para demostrar la primera, obs´ervese que −x ≥ 0, y ≥ 0 ⇒ (−x)y ≥ 0.
Como (−x)y = −xy se obtiene −xy ≥ 0, que es equivalente a xy ≤ 0.
La segunda se demuestra a partir de la primera aplicada a x y a −y.
Corolario 1.14. Si F es un cuerpo ordenado y x = 0 es un elemento de F,
entonces x2 > 0.
En otras palabras, ∀x ∈ F se tiene x2 ≥ 0, y x2 = 0 ⇔ x = 0.
Corolario 1.15. 1 > 0.
En efecto, 1 = 12 y 1 = 0.
Ahora es f´acil probar que no se puede introducir una relaci´on de orden
en el cuerpo de los n´umeros complejos. En efecto, i2 = −1 > 0 ⇒ 1 < 0.
Si F es un cuerpo ordenado, hemos visto que la caracter´ıstica de F es
cero, y por tanto F contiene subconjuntos equivalentes a N, Z y Q. Adem´as,
a partir de los corolarios anteriores se prueba por inducci´on que el orden
inducido por F en N (y por tanto en Z y en Q) coincide con el usual:
Proposici´on 1.16. Si F es un cuerpo ordenado, ∀k ∈ N ⊂ F se tiene
k + 1 > k > 0.
14. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 10
1.4.2. Otras consecuencias de los axiomas de orden
x > 1 ⇒ x2 > x; 0 < x < 1 ⇒ x2 < x
0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ z ≤ u =⇒ xz ≤ yu
En efecto x ≤ y, 0 ≤ z ⇒ xz ≤ yz, y z ≤ u, y ≥ 0 ⇒ yz ≤ uy.
An´alogamente se demuestra que
0 ≤ x < y, 0 < z ≤ u =⇒ xz < yu; 0 ≤ x < y, 0 ≤ z < u =⇒ xz < yu
0 ≤ x < y =⇒ xn < yn, ∀n ∈ N
Basta aplicar repetidamente la segunda de las propiedades anteriores
con z = x, u = y.
Si x ≥ 0 e y ≥ 0 entonces x = y ⇐⇒ xn = yn (n ∈ N). An´alogamen-
te, si x ≥ 0 e y ≥ 0 entonces x < y ⇐⇒ xn < yn (n ∈ N).
x > 0 ⇒ 1/x > 0 (pues x · 1/x = 1 > 0); adem´as
0 < x < y =⇒ 0 <
1
y
<
1
x
=⇒ 0 < y−n
< x−n
, ∀n ∈ N.
En efecto, para probar la primera implicaci´on basta observar que 1
x >
0, 1
y > 0 ⇒ 1
x
1
y > 0 y multiplicar la desigualdad x < y por 1
x
1
y . La
segunda es consecuencia de aplicar repetidamente la primera.
Si z ≥ 0 y z < x para todo x > 0, entonces z = 0.
En efecto, si z > 0 entonces haciendo x = z obtendr´ıamos z < z.
1.5. Valor absoluto
Sea, como siempre, F un cuerpo ordenado. Si x ∈ F, ´o bien x ≥ 0 ´o bien
x < 0 ⇔ −x > 0. Por tanto, si definimos el valor absoluto de x (denotado
por |x|) mediante
|x| =
x, x ≥ 0
−x, x < 0
entonces |x| ≥ 0 para todo x ∈ F, y |x| = 0 ⇔ x = 0. Claramente |x| ≥ x
y |x| ≥ −x. De la definici´on de |x| se sigue inmediatamente que |−x| = |x|.
Adem´as, de (−x)2 = x2 se obtiene f´acilmente que |x|2
= x2. M´as general-
mente, veamos que
|xy| = |x| |y| , ∀x, y ∈ F.
En efecto, como ambos miembros son no negativos basta probar el cuadrado
de esta igualdad. Pero
|xy|2
= (xy)2
= x2
y2
= |x|2
|y|2
= (|x| |y|)2
.
15. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 11
Otra propiedad interesante del valor absoluto es que
|x| ≤ a ⇐⇒ −a ≤ x ≤ a.
En efecto, si x ≥ 0 ambas desigualdades se reducen a x ≤ a, ya que a ≥
|x| ≥ 0 ⇒ a ≥ 0 ⇒ −a ≤ 0 ≤ x trivialmente. Y si x < 0 entonces lo anterior
implica que
|x| ≤ a ⇔ |−x| ≤ a ⇔ −a ≤ −x ≤ a ⇔ −a ≤ x ≤ a.
Una desigualdad muy importante satisfecha por el valor absoluto es la lla-
mada desigualdad triangular:
|x + y| ≤ |x| + |y| , ∀x, y ∈ F.
Como ambos miembros de esta desigualdad son no negativos, basta probar
su cuadrado. Y, en efecto, se tiene
|x + y|2
= (x + y)2
= x2
+ 2xy + y2
≤ x2
+ 2 |xy| + y2
= |x|2
+ 2 |x| |y| + |y|2
= (|x| + |y|)2
.
Aplicando repetidamente la desigualdad triangular se demuestra la siguiente
generalizaci´on de dicha desigualdad:
n
i=1
xi ≤
n
i=1
|xi| , ∀x1, . . . , xn ∈ F.
1.5.1. M´aximo y m´ınimo
Si x, y ∈ F, se define
m´ın(x, y) =
x, x ≤ y
y, x > y.
De la definici´on se sigue que m´ın(x, y) = m´ın(y, x), y m´ın(x, y) ≤ x, m´ın(x, y) ≤
y, para todo x, y ∈ F. An´alogamente, definimos
m´ax(x, y) =
y, x ≤ y
x, x > y.
Evidentemente, m´ax(x, y) = m´ax(y, x), y m´ax(x, y) ≥ x, m´ax(x, y) ≥ y,
para todo x, y ∈ F. De hecho, las propiedades de m´ax se pueden deducir de
las de m´ın observando que
m´ax(x, y) = − m´ın(−x, −y).
16. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 12
El valor absoluto de x ∈ F se expresa mediante el m´aximo por la f´ormula
|x| = m´ax(x, −x).
Rec´ıprocamente, m´ın y m´ax se expresan en t´erminos de | · | por las f´ormulas
m´ın(x, y) =
1
2
(x + y − |x − y|), m´ax(x, y) =
1
2
(x + y + |x − y|).
En general, si {x1, . . . , xn} es un subconjunto finito de F podemos definir
m´ın(x1, . . . , xn) y m´ax(x1, . . . , xn) por inducci´on. Al igual que antes, tanto
m´ın como m´ax no dependen de como ordenemos sus argumentos,
m´ın(x1, . . . , xn) ≤ xi ≤ m´ax(x1, . . . , xn), ∀i = 1, 2, . . . , n,
y
m´ax(x1, . . . , xn) = − m´ın(−x1, . . . , −xn).
1.6. Axioma del supremo
Un subconjunto A de un cuerpo ordenado F est´a acotado superior-
mente (resp. inferiormente) si ∃x ∈ F tal que
a ≤ x, ∀a ∈ A
(resp. x ≤ a, ∀a ∈ A).
A cualquier n´umero x con la propiedad anterior le llamaremos una cota
superior (resp. cota inferior) de A. Diremos que A es un conjunto aco-
tado si A es acotado a la vez superior e inferiormente. Escribiremos A ≤ x
si x es una cota superior de A, y x ≤ A si x es una cota inferior de A. Es
importante observar que una cota inferior (o superior) de A no tiene por
qu´e existir, ni ser ´unica, ni pertenecer a A.
Ejemplo 1.17.
El conjunto vac´ıo es acotado, ya que cualquiera que sea x ∈ F se
cumplen trivialmente las dos afirmaciones “ ∀a ∈ ∅, a ≤ x” y “ ∀a ∈
∅, x ≤ a” al no haber ning´un a ∈ ∅. En particular, todo elemento de
F es a la vez una cota superior e inferior de ∅.
Si F es un cuerpo ordenado, entonces el conjunto F no est´a acotado ni
superior ni inferiormente. En efecto, si por ejemplo F estuviera acotado
superiormente entonces existir´ıa x ∈ F tal que a ≤ x, ∀a ∈ F. Esto es
claramente contradictorio si tomamos a = x + 1.
17. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 13
En el cuerpo Q, el conjunto A = {a ∈ Q : a < 1} est´a acotado supe-
riormente, siendo las cotas superiores de A los racionales x ≥ 1. En
particular, en este caso ninguna cota superior de A pertenece a A.
Adem´as, es claro que A no est´a acotado inferiormente.
Definici´on 1.18. Si A ⊂ F es un conjunto acotado superiormente, una cota
superior m´ınima de A es un n´umero x ∈ F tal que
i) x es una cota superior de A: a ≤ x, ∀a ∈ A
ii) Si y es cualquier cota superior de A, entonces x ≤ y
De la definici´on se deduce que si x e y son dos cotas superiores m´ınimas de
A entonces x = y. Por tanto, un conjunto acotado superiormente s´olo puede
tener a lo sumo una cota superior m´ınima. Si tal cota superior m´ınima existe,
la denotaremos simplemente por sup A (supremo de A). An´alogamente, si
A ⊂ F est´a acotado inferiormente una cota inferior m´axima de A es un
n´umero x ∈ F tal que
i) x es una cota inferior de A: x ≤ a, ∀a ∈ A
ii) Si y es cualquier cota inferior de A, entonces y ≤ x
Al igual que antes, un conjunto acotado inferiormente s´olo puede tener a
lo sumo una cota superior m´ınima, a la que denotaremos por inf A (´ınfimo
de A). Se demuestra f´acilmente que
inf A = − sup(−A),
si denotamos por −A el conjunto
−A = {−x : x ∈ A} = {x : −x ∈ A} .
Ejemplo 1.19. El conjunto vac´ıo (que est´a acotado superior e inferiormen-
te) no tiene ´ınfimo ni supremo. En efecto, si por ejemplo existiera x = sup ∅
entonces para todo a ∈ F se cumplir´ıa x ≤ a (ya que todo elemento de F es
una cota superior de ∅), y por tanto x ser´ıa una cota inferior de F.
Ejemplo 1.20. En el cuerpo Q hay subconjuntos no vac´ıos acotados supe-
riormente pero sin supremo. Por ejemplo, consid´erese el conjunto
A = {a ∈ Q : a ≤ 0} ∪ a ∈ Q : a2
≤ 2 .
Vamos a ver que este conjunto, que obviamente no es vac´ıo, est´a acotado su-
periormente pero no posee supremo. En primer lugar, es claro que A est´a aco-
tado superiormente; por ejemplo, A ≤ 2 (ya que 2 ≥ 0, y a > 2 ⇒ a2 > 4).
Intuitivamente, el hecho de que A no tiene supremo se debe a que el su-
premo “natural” de A, que ser´ıa
√
2, no es un elemento del cuerpo (no hay
18. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 14
ning´un racional cuyo cuadrado sea 2). Veamos la demostraci´on rigurosa de
este hecho.
Para ello utilizamos las siguientes identidades:
x ∈ Q, y =
x(x2 + 6)
3x2 + 2
=⇒ y − x =
2x(2 − x2)
3x2 + 2
, y2
− 2 =
(x2 − 2)3
(3x2 + 2)2
.
N´otese que x ∈ Q ⇒ y ∈ Q, ya que 3x2 + 2 ≥ 2 > 0. Supongamos que
existiera x = sup A. Si x ∈ A, entonces x ≥ 1 > 0 (ya que 1 ∈ A), de donde
se sigue que x2 ≤ 2, lo cual a su vez es equivalente a x2 < 2. Si tomamos y
como en la f´ormula anterior, entonces y−x > 0, y2 −2 < 0 implica que y ∈ A
e y > x = sup A, lo que es contradictorio. Supongamos ahora que x /∈ A.
Entonces x2 > 2 y x > 0, y definiendo otra vez y como antes se tendr´a y > 0,
y − x < 0, y2 − 2 > 0. De la primera y la tercera de estas desigualdades se
sigue que y es una cota superior de A, que es estrictamente menor que sup A
por la segunda desigualdad. De nuevo llegamos a una contradicci´on.
Es precisamente el hecho de que cualquier conjunto no vac´ıo acotado
superiormente posee supremo la propiedad esencial de la que carece el con-
junto de los n´umeros racionales, y que sirve para definir y caracterizar al
conjunto de los n´umeros reales:
Definici´on 1.21. El conjunto R de los n´umeros reales es un cuerpo orde-
nado que goza de la siguiente propiedad (axioma del supremo):
Si A ⊂ R est´a acotado superiormente y A = ∅, entonces existe el supre-
mo de A.
En otras palabras, R es un cuerpo ordenado en el que cualquier subcon-
junto no vac´ıo y acotado superiormente posee supremo. Naturalmente, para
que esta definici´on tenga sentido hacen falta dos cosas:
i) Que haya alg´un cuerpo ordenado en el que se cumpla el axioma del
supremo.
Esto se puede demostrar de varias formas, lo que equivale a otras
tantas construcciones expl´ıcitas de los n´umeros reales (sucesiones de
Cauchy, cortaduras de Dedekind, etc.)
ii) Que esencialmente haya un s´olo cuerpo ordenado en el que se verifique
el axioma del supremo. En efecto, se demuestra que si R1 y R2 son dos
cuerpos ordenados en los que se verifica el axioma del supremo entonces
R1 y R2 son equivalentes (isomorfos, en el lenguaje matem´atico), en
el sentido de que existe una biyecci´on entre R1 y R2 que respeta las
operaciones de cuerpo y la relaci´on de orden (y, por tanto, la acotaci´on
de los conjuntos y los supremos).
En otras palabras, lo esencial del cuerpo R de los n´umeros reales es que R
es un conjunto con dos operaciones + : R × R → R, · : R × R → R
19. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 15
y una relaci´on ≤ , que verifican los axiomas i)–ix) de la Definici´on 1.1
junto con los axiomas del orden, y donde se cumple adem´as el axioma del
supremo. A partir de ahora, llamaremos simplemente n´umeros (´o puntos)
a los elementos de R (n´umeros reales).
1.7. Consecuencias del axioma del supremo
En primer lugar, del axioma del supremo se sigue la siguiente propiedad
equivalente de los n´umeros reales (axioma o principio del ´ınfimo):
Proposici´on 1.22. Si A ⊂ R es un conjunto no vac´ıo acotado inferior-
mente, entonces A posee un ´ınfimo.
Demostraci´on. Basta aplicar el axioma del supremo al conjunto −A, que
est´a acotado superiormente, y tener en cuenta que inf A = − sup(−A).
Q.E.D.
Tambi´en es inmediato probar que si ∅ = A ⊂ B y B est´a acotado
superiormente, entonces A est´a acotado superiormente y se cumple
sup A ≤ sup B.
En efecto, es claro que cualquier cota superior de B es a la vez una cota
superior de A, por lo que A est´a acotado superiormente. En particular,
sup B es una cota superior de A, de donde sup A ≤ sup B. Del mismo modo
se demuestra que si A ⊂ B y B est´a acotado inferiormente, entonces A
est´a acotado inferiormente e inf A ≥ inf B.
Si A ⊂ R es un conjunto acotado superiormente y x = sup A resulta
pertenecer al conjunto A, diremos que x es el m´aximo de A, y escribiremos
x = m´ax A (aunque el conjunto A sea infinito). Equivalentemente,
x = m´ax A ⇐⇒ x ∈ A y a ≤ x ∀a ∈ A.
Es f´acil comprobar que si A es un conjunto finito esta definici´on de m´aximo
coincide con la vista anteriormente. N´otese, sin embargo, que aunque ∅ =
A ⊂ R est´e acotado superiormente el m´aximo de A no tiene por qu´e existir
(aunque, por supuesto, la existencia de sup A est´a garantizada). Del mismo
modo, si A ⊂ R est´a acotado inferiormente y x = inf A ∈ A diremos que x
es el m´ınimo de A, y escribiremos x = m´ın A. Equivalentemente,
x = m´ın A ⇐⇒ x ∈ A y x ≤ a ∀a ∈ A.
Al igual que antes, un subconjunto no vac´ıo de R acotado inferiormente no
tiene por qu´e tener un m´ınimo.
20. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 16
1.7.1. La propiedad arquimediana de los n´umeros reales
Es intuitivamente claro que el conjunto de los n´umeros naturales no
est´a acotado en R. La demostraci´on rigurosa de este hecho es una conse-
cuencia inmediata de la siguiente propiedad fundamental de los n´umeros
reales, que como vamos a ver se deduce del axioma del supremo:
Propiedad arquimediana de los n´umeros reales. Si x > 0 (x ∈ R) e
y ∈ R, entonces hay un n´umero natural n ∈ N tal que nx > y.
Demostraci´on. Consideremos el conjunto A de los m´ultiplos de x, es decir
A = {nx ∈ R : n ∈ N} ,
que es obviamente no vac´ıo. El enunciado que queremos probar equivale
a que y no es una cota superior de A (´o, como y es arbitrario, a que A
no est´a acotado superiormente). Pero si A estuviera acotado superiormente
entonces, por el axioma del supremo, existir´ıa z = sup A, y se tendr´ıa
nx ≤ z, ∀n ∈ N.
Como n + 1 ∈ N para todo n ∈ N, de esto deducir´ıamos que
(n + 1)x ≤ z, ∀n ∈ N ⇐⇒ nx ≤ z − x, ∀n ∈ N.
Esto implicar´ıa que z − x < z ser´ıa una cota superior de A menor que
z = sup A, lo que es contradictorio. Q.E.D.
Tomando x = 1 en la proposici´on anterior obtenemos que N no es acota-
do superiormente (s´ı inferiormente, siendo inf N = m´ın N = 1), de donde se
sigue f´acilmente que Z (y por tanto Q, que contiene a Z) es no acotado, ni
inferior ni superiormente. Una ligera extensi´on de la propiedad arquimedia-
na permite probar que dado un n´umero x ∈ R existe un ´unico entero n ∈ Z
tal que
n ≤ x < n + 1.
(Demostraci´on: sea A el conjunto de los enteros mayores que x. A es no
vac´ıo por la propiedad arquimediana, y est´a acotado inferiormente por x.
Por el principio de inducci´on, A tiene un elemento m´ınimo que denotaremos
por n + 1. En particular, x < n + 1 por ser n + 1 ∈ A, y x ≥ n por ser n + 1
el m´ınimo elemento de A. Por ´ultimo, si m ∈ Z y m ≤ x < m + 1 entonces
−m − 1 < −x ≤ −m, de donde se sigue que n − m − 1 < 0 < n − m + 1
´o, equivalentemente, n = m.) Al entero n lo denominaremos parte entera
del n´umero real x, y lo denotaremos [x] (por ejemplo, [3] = 3, [π] = 3,
[−3] = −3, [−π] = −4).
Si en el enunciado de la propiedad arquimediana tomamos y > 0, enton-
ces
nx > y ⇐⇒ 0 <
y
n
< x,
lo que prueba la siguiente
21. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 17
Proposici´on 1.23. Si x > 0 e y > 0 son n´umeros reales, existe n ∈ N tal
que 0 < y
n < x.
En particular, esto prueba que dado y > 0 se tiene
inf
y
n
: n ∈ N = 0.
Hay tambi´en una propiedad arquimediana en la que interviene el producto
en lugar de la suma:
Proposici´on 1.24. Si x > 1 e y son n´umeros reales, entonces existe n ∈ N
tal que xn > y.
Demostraci´on. Si y ≤ 0, podemos tomar n = 1. Si y > 0, basta considerar
el conjunto A = {xn : n ∈ N}. Q.E.D.
1.7.2. Intervalos
Un ejemplo muy importante de subconjuntos acotados (y, por tanto, que
poseen supremo e´ınfimo a la vez) es el de los intervalos. Por definici´on, dados
dos n´umeros reales a < b definimos el intervalo cerrado
[a, b] = {x ∈ R : a ≤ x ≤ b} ,
el intervalo abierto
(a, b) = {x ∈ R : a < x < b} ,
y los dos intervalos semiabiertos
[a, b) = {x ∈ R : a ≤ x < b} , (a, b] = {x ∈ R : a < x ≤ b} .
Los n´umeros a < b se llaman respectivamente extremo superior e inferior
del intervalo. Por convenio, si a = b definimos [a, a] = {a}. Es inmediato ver
que un intervalo I de cualquiera de los tipos anteriores est´a acotado, y que
se tiene
inf I = a, sup I = b.
A veces es tambi´en ´util considerar intervalos no acotados, para los que uti-
lizamos la siguiente notaci´on:
(−∞, b) = {x ∈ R : x < b} , (−∞, b ] = {x ∈ R : x ≤ b} ,
(a, ∞) = {x ∈ R : x > a} , [ a, ∞) = {x ∈ R : x ≥ a}
y (−∞, ∞) = R. N´otese que los s´ımbolos ±∞ se utilizan meramente por
conveniencia (no son n´umeros reales), de modo que las definiciones anteriores
se reduzcan formalmente a las de los intervalos acotados si convenimos que
x > −∞ y x < ∞ se satisface para todo n´umero real.
Una consecuencia importante de la propiedad arquimediana es la siguien-
te
22. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 18
Proposici´on 1.25. Si a < b, todo intervalo (a, b) contiene un punto racio-
nal.
Demostraci´on. En efecto, si h = b − a > 0 existe n ∈ N tal que 1
n < h. Si
m = [na] ∈ Z entonces
m ≤ na < m + 1 ⇐⇒
m
n
≤ a <
m + 1
n
.
Por otra parte
m + 1
n
=
m
n
+
1
n
≤ a +
1
n
< a + h = b.
Por tanto, hemos probado que a < m+1
n < b, lo que demuestra que m+1
n
pertenece a Q ∩ (a, b). Q.E.D.
Corolario 1.26. Todo intervalo de extremos a < b (abierto, semiabierto
´o cerrado) contiene infinitos puntos racionales.
Demostraci´on. El caso m´as desfavorable es el de un intervalo abierto (a, b).
Por la proposici´on anterior, ∃q1 ∈ Q∩(a, b). Aplicando ahora la proposici´on
al intervalo abierto (a, q1) probamos que ∃q2 ∈ Q∩(a, q1) ⊂ Q∩(a, b). De esta
forma (aplicando reiteradamente la proposici´on anterior) se construye un
conjunto infinito {q1, q2, . . . , qn, . . . } de racionales contenido en el intervalo
(a, b) (y, por tanto, en cualquier intervalo de extremos a < b). Q.E.D.
En t´erminos topol´ogicos, la proposici´on anterior se formula diciendo que
Q es denso en R.
Nota: como el conjunto de los n´umeros racionales es numerable y el intervalo
de extremos a < b no lo es, se sigue que todo intervalo de extremos a < b
contiene tambi´en infinitos puntos irracionales. Por lo tanto, el conjunto de
los n´umeros irracionales R−Q tambi´en es denso en R. Esto se puede probar
f´acilmente de forma directa: cf. Spivak, problema 8-6.)
1.7.3. Existencia de ra´ıces n-´esimas
Otra consecuencia no trivial del axioma del supremo es la existencia de
una ra´ız n-´esima de cualquier n´umero real positivo, para todo n ∈ N:
Teorema 1.27. Si x > 0 es un elemento de R y n ∈ N, entonces hay un
´unico n´umero y > 0 en R tal que x = yn.
Demostraci´on. Consideremos el conjunto
A = {a ∈ R : a ≥ 0 y an
≤ x} .
Est´a claro que este conjunto es no vac´ıo (0 ∈ A) y est´a acotado superior-
mente: en efecto, si 0 < x ≤ 1 entonces A est´a acotado por 1 (ya que
23. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 19
a > 1 ⇒ an > 1 ≥ x), mientras que si x > 1 entonces A est´a acotado por x
(ya que a > x > 1 ⇒ an > xn > x). Si y = sup A, es claro que y > 0, ya que
si x ≥ 1 entonces 1 ∈ A, y si 0 < x < 1 entonces 0 < xn < x ⇒ x > 0, x ∈ A.
Veamos a continuaci´on que efectivamente se cumple la igualdad yn = x.
En efecto, supongamos primero que fuera yn < x; entonces probaremos
que ∃a ∈ A tal que a > y, lo cual contradice el que y = sup A. Para ver esto,
sea = x − yn > 0, y sea 0 < h < 1. Por la f´ormula del binomio de Newton
(y + h)n
= yn
+ h
n
k=1
n
k
hk−1
yn−k
≤ yn
+ h
n
k=1
n
k
yn−k
= yn
+ h [(y + 1)n
− yn
] .
Tomando h = m´ın 1
2, (y+1)n−yn entonces 0 < h < 1, por lo que a = y + h
cumple que a > y = sup A > 0 y an = (y + h)n ≤ yn + = x, lo cual implica
que a ∈ A y contradice la igualdad y = sup A.
Supongamos ahora que fuera yn > x; demostraremos a continuaci´on que
hay una cota superior de A estrictamente menor que y, lo que de nuevo
contradice la definici´on y = sup A. En efecto, si = yn − x > 0 y 0 < h < 1
obtenemos como antes
(y − h)n
= yn
− h
n
k=1
n
k
(−1)k−1
hk−1
yn−k
≥ yn
− h
n
k=1
n
k
hk−1
yn−k
≥ yn
− h
n
k=1
n
k
yn−k
= yn
− h [(y + 1)n
− yn
] .
Tomando h = m´ın y, 1
2, (y+1)n−yn entonces 0 < h < 1, por lo que z = y−h
cumple que 0 ≤ z < y = sup A y zn = (y − h)n ≥ yn − = x, lo cual implica
que z es una cota superior de A y contradice la igualdad y = sup A.
Por ´ultimo, para probar la unicidad basta notar que si 0 < y1 < y2
entonces yn
1 < yn
2 . Q.E.D.
Llamaremos al ´unico n´umero y > 0 tal que yn = x la ra´ız n-´esima de
x, y lo denotaremos por n
√
x ´o x1/n. De la unicidad de la ra´ız n-´esima se
siguen todas las propiedades elementales del c´alculo con ra´ıces. Por ejemplo
x > 0, y > 0 =⇒ (xy)
1
n = x
1
n y
1
n ;
en efecto,
x
1
n y
1
n
n
= x
1
n
n
y
1
n
n
= xy.
Otra propiedad elemental es que
x
1
m
1
n = x
1
mn ,
24. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 20
ya que
x
1
m
1
n
mn
= x
1
m
1
n
n m
= x
1
m
m
= x.
Tambi´en es f´acil comprobar la identidad
(xm
)
1
n = x
1
n
m
, ∀x > 0, ∀m, n ∈ N.
Sea, de nuevo, x > 0. Si n ∈ N es par (es decir, si n = 2m para alg´un
m ∈ N), la ecuaci´on yn = x tiene exactamente dos soluciones:
y1 = x
1
n > 0, y2 = −x
1
n < 0.
En efecto, hemos visto que si y > 0 la ecuaci´on anterior tiene una soluci´on
´unica que es por definici´on x1/n, mientras que si y < 0 entonces poniendo
y = −z con z > 0 la ecuaci´on se convierte en
(−1)n
zn
= (−1)2m
zn
= (−1)2 m
zn
= zn
= x,
que de nuevo tiene la soluci´on ´unica z = x
1
n , lo cual implica que y = −z =
−x
1
n . Por tanto
yn
= x ⇐⇒ y = ±x
1
n (x > 0, n par).
Si n es impar (es decir, n = 2m−1 para alg´un m ∈ N) y x > 0, entonces
la ecuaci´on yn = x tiene la soluci´on ´unica y = x
1
n . En efecto, basta tener en
cuenta que si y < 0 y n = 2m − 1 es impar entonces
yn
= y2m−1
= y2(m−1)
y = ym−1 2
y < 0.
Por tanto se cumple
yn
= x ⇐⇒ y = x
1
n (x > 0, n impar).
Sea ahora x < 0. Si n es par, la ecuaci´on yn = x no tiene ninguna
soluci´on, ya que n par implica yn ≥ 0. Por tanto, en este caso el n´umero x
no tiene ninguna ra´ız n-´esima:
x < 0, n par =⇒ y ∈ R tal que yn
= x.
Por el contrario, si n es impar entonces la ecuaci´on yn = x tiene exactamente
una soluci´on
y = −(−x)
1
n = − |x|
1
n < 0.
En efecto, al ser x < 0 ha de ser y = −z < 0. Sustituyendo en la ecuaci´on
yn = x y teniendo en cuenta que n es impar obtenemos la ecuaci´on zn =
−x > 0, lo que prueba nuestra afirmaci´on. Definiremos en este caso n
√
x =
x1/n = y, es decir
yn
= x ⇐⇒ y = n
√
x = − n
√
−x = − n
|x| (x < 0, n impar).
En particular, si x > 0 entonces x1/n ≡ n
√
x > 0, mientras que si x < 0 y n
es impar entonces x1/n ≡ n
√
x < 0.
25. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 21
1.8. Potencias
Si r ∈ Q, podemos escribir r = p
q con p ∈ Z, q ∈ N. Si x > 0, definimos
entonces
xr
= x
1
q
p
= xp
1
q
.
N´otese que esta definici´on tiene sentido, ya que si m ∈ N
x
mp
mq = x
1
mq
mp
= x
1
q
1
m
m p
= x
1
q
p
.
Se demuestra f´acilmente que con esta definici´on se cumplen las reglas
usuales de las potencias, es decir
xr+s
= xr
xs
=⇒
1
xr
= x−r
xrs
= xr s
∀r, s ∈ Q, ∀x > 0, ∀y > 0 (x, y ∈ R).
(xy)r
= xr
yr
Si x < 0, la definici´on anterior en general no funciona, ya que en este caso
n
√
x no existe si n ∈ N es par. En este caso s´olo podemos definir xr con
r ∈ Q si al poner r en la forma p
q con p ∈ Z, q ∈ N y (|p| , q) primos
entre s´ı el n´umero natural q es impar. Si r es de esta forma, definimos de
nuevo x
p
q = x
1
q
p
. Puede verse entonces que las reglas anteriores siguen
siendo v´alidas tambi´en en este caso si tanto r como s satisfacen la condici´on
anterior.
Utilizando lo anterior, se puede definir ax para todo a > 0 (a ∈ R) y
para todo x ∈ R. En efecto, empecemos por suponer que a > 1.
Lema 1.28. Si a ∈ R, a > 1, r, s ∈ Q y r < s, entonces ar < as.
Demostraci´on. El n´umero s−r > 0 es racional, por lo que existir´an p, q ∈ N
tales que s − r = p/q. Si z = as−r = (ap)1/q, entonces z > 1, ya que si
fuera z < 1 llegar´ıamos a la contradicci´on zq = ap < 1. Multiplicando la
desigualdad as−r > 1 por ar > 0 llegamos a la desigualdad deseada. Q.E.D.
Definamos a continuaci´on los conjuntos
A− = {ar
: r < x, r ∈ Q} , A+ = {ar
: r > x, r ∈ Q} .
Entonces A− < A+ (y tanto A− como A+ obviamente no vac´ıos) implica
(ejercicio) que A− est´a acotado superiormente, A+ est´a acotado inferior-
mente y sup A− ≤ inf A+. De hecho, puede probarse la siguiente
Proposici´on 1.29.
sup A− = inf A+.
26. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 22
Demostraci´on. Basta probar que dado cualquier > 0 existen r, s ∈ Q tales
que r < x < s y as − ar < (dado que ar < sup A− ≤ inf A+ < as;
v´ease la ´ultima propiedad 1.4.2). Empecemos probando que para todo > 0
existe q ∈ N tal que a1/q − 1 < . Como ambos miembros de la desigualdad
a1/q < 1+ son positivos (mayores que 1), basta ver que existe q ∈ N tal que
a < (1+ )q. Pero esto ´ultimo es consecuencia de la propiedad arquimediana
multiplicativa.
Dado > 0, sea t ∈ Q tal que t > x, sea q ∈ N tal que a1/q < 1 + a−t ,
y sea r ∈ Q ∩ (x − 1
q , x). Si s = r + 1
q entonces r < x < s y as − ar =
ar(a1/q − 1) < ara−t < . Q.E.D.
Por definici´on,
ax
= sup A− = inf A+.
Con esto hemos definido ax para a > 1. Si 0 < a < 1, guiados por las pro-
piedades b´asicas de las potencias de exponente racional definimos definimos
ax
=
1
(a−1)x
,
ya que 1/a > 1 si a < 1. De esta forma tenemos definido ax para 0 < a = 1.
Finalmente, definimos
1x
= 1, ∀x ∈ R
0x
= 0, ∀x ∈ R, x > 0.
N´otese, en particular, que 0x no est´a definido si x ≤ 0, y que tampoco se
ha definido ax cuando a < 0 y x es un real arbitrario (a menos que x sea
un n´umero racional cuya expresi´on en forma de fracci´on irreducible tenga
denominador impar). Con estas definiciones, las propiedades de las potencias
son las mismas que ya vimos para potencias con exponente racional.
Nota. Es inmediato que si a > 0 y x ∈ Q la definici´on de ax que acabamos
de ver coincide con la definici´on de potencia de exponente racional dada
anteriormente.
Ejercicio. Sean a y x n´umeros reales. Probar que
a > 1, x > 0 =⇒ ax
> 1; 0 < a < 1, x > 0 =⇒ 0 < ax
< 1
a > 1, x < 0 =⇒ 0 < ax
< 1; 0 < a < 1, x < 0 =⇒ ax
> 1.
Soluci´on. Si a > 1 y x > 0, tomando r ∈ Q∩(0, x) y aplicando el Lema 1.28
obtenemos
1 = a0
< ar
≤ sup A− = ax
.
Esto prueba la desigualdad pedida para a > 1 y x > 0. Las dem´as desigual-
dades son consecuencias inmediatas de ´esta. Por ejemplo, si 0 < a < 1 y
x < 0 entonces
27. CAP´ITULO 1. LA RECTA REAL 23
1
a
> 1, −x > 0 =⇒
1
a
−x
=
1
a−x
= ax
> 1 .
Ejercicio. Probar que si a, x, y ∈ R se cumple
a > 1, x < y =⇒ ax
< ay
; 0 < a < 1, x < y =⇒ ax
> ay
. (1.1)
Soluci´on. Supongamos primero que a > 1. Al ser y − x > 0, por el ejercicio
anterior se verifica ay−x > 1. Multiplicando por ax > 0 se obtiene la pri-
mera desigualdad. La segunda desigualdad es consecuencia inmediata de la
primera.
Ejercicio. Probar que si a, b, x ∈ R se cumple
0 < a < b, x > 0 =⇒ ax
< bx
; 0 < a < b, x < 0 =⇒ ax
> bx
. (1.2)
Soluci´on. Si 0 < a < b entonces b/a > 1 implica, por el primer ejercicio,
que (b/a)x = bx/ax > 1 si x > 0 y (b/a)x = bx/ax < 1 si x < 0. Multipli-
cando ambos miembros de estas desigualdades por ax > 0 se obtienen las
desigualdades propuestas.
28. Cap´ıtulo 2
Funciones reales de variable
real
2.1. Definici´on. Dominio, imagen y gr´afica.
Informalmente, una funci´on entre dos conjuntos A y B es una regla que
a ciertos elementos del conjunto A les asigna un elemento bien definido del
conjunto B. Por ejemplo, la regla que a cada ciudadano espa˜nol le asigna su
estatura expresada en cent´ımetros es una funci´on del conjunto A de todos
los ciudadanos espa˜noles al conjunto R de los n´umeros reales. A nosotros
nos interesar´an casi exclusivamente las funciones reales de variable real, para
las cuales A y B son subconjuntos de R. Por ejemplo, una tal funci´on es
la funci´on f que a cada n´umero real x le asocia su cuadrado x2 (funci´on
cuadrado), ´o la funci´on g que a cada n´umero real x ≥ 0 le asocia su ra´ız
cuadrada
√
x (funci´on ra´ız cuadrada).
Si f es una funci´on entre A y B, escribiremos f : A → B; n´otese que
esta notaci´on no significa que f est´e definida para todo elemento de A. Dado
un a ∈ A para el que f est´e definida, denotaremos por f(a) (imagen de
a bajo f, ´o valor de f en a) al elemento de B asignado por f al elemento
a ∈ A. Al subconjunto de A formado por todos los elementos a ∈ A para los
cuales f(a) est´a definido lo denominaremos dominio de la funci´on f, y lo
denotaremos por dom f. An´alogamente, al conjunto de todos los elementos
de B que son la imagen de alg´un elemento de A bajo f, es decir al conjunto
{y ∈ B : ∃a ∈ A tal que y = f(a)} = {f(a) : a ∈ dom f}
le denominaremos imagen de la funci´on f, y lo denotaremos por im f ´o f(A)
indistintamente. En particular,
dom f ⊂ A, im f ⊂ B.
Ejemplo 2.1. Sea f : R → R la funci´on definida por f(x) =
√
x2 − 1.
24
29. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 25
Entonces dom f es el subconjunto de R tal que x2 − 1 ≥ 0, es decir
dom f = {x : |x| ≥ 1} = (−∞, −1] ∪ [1, ∞).
Como
√
a ≥ 0 para todo a ≥ 0, la imagen de f est´a contenida en [0, ∞).
Para ver si la imagen de f coincide con este conjunto, hay que determinar
si para todo y ≥ 0 existe x ∈ dom f tal que
x2 − 1 = y.
Esto es cierto, ya que la ecuaci´on anterior tiene obviamente las dos soluciones
x = ± 1 + y2 ∈ dom f. Luego en este caso
im f = [0, ∞).
M´as formalmente (dado que el concepto de regla es un tanto impreciso),
podemos considerar una funci´on como determinada por su valor en todos
los puntos de su dominio, es decir por todos los pares ordenados de la forma
(a, b), donde a es un elemento de A para el que f est´a definida y b =
f(a) es la imagen de a ∈ A bajo f. Por ejemplo, la funci´on ra´ız cuadrada
est´a determinada por todos los pares de la forma (x,
√
x), donde x ∈ R es un
n´umero real no negativo. Equivalentemente, la funci´on ra´ız cuadrada queda
perfectamente definida por el conjunto
(x,
√
x) : x ∈ R, x ≥ 0 .
Evidentemente, si (a, b1) y (a, b2) son dos pares ordenados asociados a la
misma funci´on f entonces
b1 = f(a), b2 = f(a) =⇒ b1 = b2.
Estas consideraciones justifican la siguiente definici´on formal de funci´on:
Definici´on 2.2. Una funci´on f : A → B es un subconjunto del producto
cartesiano A × B con la siguiente propiedad:
(a, b) ∈ f, (a, c) ∈ f =⇒ b = c.
Por ejemplo, el subconjunto
(x, x2
) : x ∈ R ⊂ R × R
define una funci´on R → R (la funci´on cuadrado), mientras que
(x, y) ∈ R × R : x2
+ y2
= 1 ⊂ R × R
no define una funci´on de R en R, dado que por ejemplo tanto (0, 1) como
(0, −1) pertenecen a dicho conjunto.
Esta definici´on precisa de funci´on implica que dos funciones f : A → B
y g : A → B son iguales si determinan el mismo conjunto de A × B, es
decir si
30. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 26
i) dom f = dom g
ii) f(x) = g(x), ∀x ∈ dom f = dom g
Por ejemplo, la funci´on f : R → R definida por f(x) = x2 y la funci´on
g : R → R definida por g(x) = (x + 1)2 − 2x − 1 son iguales.
Ejemplo 2.3. Sean f : R → R y g : R → R las funciones definidas
respectivamente por f(x) = x y g(x) =
√
x2. Entonces dom f = dom g = R,
y f(x) = g(x) para todo x ≥ 0. Sin embargo, f = g, ya que f(x) < 0 si
x < 0 y g(x) ≥ 0 para todo x ∈ R. De hecho, se tiene
√
x2 = |x|2
= |x| , ∀x ∈ R.
Si f : R → R es una funci´on, su gr´afica es el subconjunto del plano
R × R determinado por f, es decir el conjunto
x, f(x) : x ∈ dom f .
Por definici´on de funci´on, este conjunto tiene la propiedad de que una recta
vertical x = a ´o bien no lo corta (si a /∈ dom f) o bien lo corta en un s´olo
punto (si a ∈ dom f).
x
x1/2
(x, x1/2)
Figura 2.1: gr´afica de la funci´on ra´ız cuadrada
2.2. Funciones inyectivas, suprayectivas y biyecti-
vas
Una funci´on f : A → B se dice inyectiva (´o uno-uno) si puntos distin-
tos de dom f tienen im´agenes distintas:
x, y ∈ dom f, x = y =⇒ f(x) = f(y)
Equivalentemente, f es inyectiva si
∀x, y ∈ dom f, f(x) = f(y) =⇒ x = y.
31. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 27
La funci´on f : A → B se dice suprayectiva (´o sobreyectiva) si todo punto
de B es la imagen bajo f de un punto de dom f:
∀y ∈ B, ∃x ∈ dom f tal que y = f(x).
En otras palabras,
f es suprayectiva ⇐⇒ im f = B.
N´otese que el ser f inyectiva ´o suprayectiva depende de la elecci´on de los
conjuntos A y B. Por ejemplo, si tomamos B = im f entonces f es autom´ati-
camente suprayectiva.
Nota. En t´erminos de la gr´afica, f : R → R es inyectiva si toda recta
horizontal corta a su gr´afica a lo sumo en un punto, y es suprayectiva si
toda recta horizontal corta a la gr´afica por lo menos en un punto.
Ejemplo 2.4. La funci´on f : R → R definida por f(x) = x2 no es inyectiva,
ya que f(−x) = f(x), para todo x ∈ R. Tampoco es suprayectiva, ya que
im f = [0, ∞). Sin embargo, la funci´on g : [0, ∞) → R definida por g(x) = x2
s´ı es inyectiva, ya que
x ≥ 0, y ≥ 0, x2
= y2
=⇒ x = y.
N´otese que f y g no son iguales, ya que dom f = dom g. De hecho, al
ser dom g ⊂ dom f y f(x) = g(x) para todo x ∈ dom g se suele decir
que g es la restricci´on de f al conjunto [0, ∞). Por ´ultimo, la funci´on
h : [0, ∞) → [0, ∞) definida de nuevo por h(x) = x2 es a la vez inyectiva y
suprayectiva.
Definici´on 2.5. Una funci´on f : A → B es biyectiva si dom f = A, y f es
a la vez inyectiva y suprayectiva.
Por ejemplo, la funci´on h del ejemplo anterior es biyectiva. En t´erminos
de la gr´afica, f : R → R es biyectiva si toda recta horizontal corta a su
gr´afica exactamente en un punto. El ejemplo m´as obvio de funci´on biyectiva
es la funci´on identidad IA : A → A, definida por
IA(x) = x, ∀x ∈ A.
Cuando sea claro por el contexto (´o irrelevante) cu´al es el conjunto A es-
cribiremos simplemente I en lugar de IA. Es inmediato probar el siguiente
resultado:
Proposici´on 2.6. Una funci´on f : A → B es biyectiva si y s´olo si f es
invertible, es decir si y s´olo si existe g : B → A tal que
g f(x) = x, ∀x ∈ A y f(g(y)) = y, ∀y ∈ B. (2.1)
32. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 28
Diremos que la funci´on g : B → A que cumple (2.1) es la inversa de la
funci´on invertible f, y escribiremos
g = f−1
.
N´otese que seg´un esta definici´on la funci´on g tambi´en es invertible (y por
tanto biyectiva), siendo
g−1
= f.
En otras palabras, se cumple
f−1 −1
= f,
y an´alogamente para g. La relaci´on entre f y f−1 se puede expresar conci-
samente en la forma siguiente:
y = f(x) ⇐⇒ x = f−1
(y), (x ∈ A, y ∈ B).
Ejemplo 2.7. Sea h : R → R la funci´on definida para todo x ∈ R por
h(x) = x2 − x. Para ver si esta funci´on es biyectiva, basta comprobar que la
ecuaci´on en x
x2
− x = y
tiene una soluci´on ´unica para todo y ∈ R. (Si ´esto es as´ı, para cada y la
soluci´on de esta ecuaci´on es precisamente h−1(y)). Completando el cuadrado
obtenemos la ecuaci´on equivalente
x −
1
2
2
= y +
1
4
.
Esta ecuaci´on tiene soluci´on si y s´olo si y ≥ −1/4; por tanto, im h =
[−1/4, ∞). Sin embargo, para y > −1/4 la ecuaci´on anterior tiene dos solu-
ciones distintas
x =
1
2
± y +
1
4
,
una de las cuales es mayor que 1/2 y la otra menor que 1/2. Por tanto,
la funci´on h no es ni inyectiva ni biyectiva. Sin embargo la funci´on f :
[1/2, ∞) → [−1/4, ∞) definida de nuevo por f(x) = x2 − x es invertible,
siendo su inversa la funci´on f−1 : [−1/4, ∞) → [1/2, ∞) definida por
f−1
(y) =
1
2
+ y +
1
4
, ∀y ≥ −
1
4
(y an´alogamente para la restricci´on de h al intervalo infinito (−∞, −1/2]
considerada como funci´on (−∞, −1/2] → [−1/4, ∞).) Todo esto es muy
f´acil de comprender intuitivamente dibujando la gr´afica de h (fig. 2.2).
33. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 29
1/2
–1/4
Figura 2.2: gr´afica de la funci´on h(x) = x2 − x
2.3. Composici´on de funciones
Lo anterior se puede formular de manera m´as concisa utilizando el con-
cepto de composici´on de funciones. Por definici´on, si f : A → B y g : B → C
la composici´on de g con f es la funci´on g ◦ f : A → C definida por
(g ◦ f)(x) = g f(x) .
El dominio de g ◦ f es el conjunto
dom(g ◦ f) = {x ∈ dom f : f(x) ∈ dom g} ⊂ dom f;
en particular, g ◦ f estar´a definida s´olo si dicho conjunto es no vac´ıo. Por
ejemplo, si f : R → R y g : R → R est´an definidas respectivamente por
f(x) = −1−x2 y g(x) = 4
√
x entonces g ◦ f no est´a definida. N´otese tambi´en
que el orden es importante en la notaci´on g ◦ f, ya que en general g ◦ f = f ◦ g.
Por ejemplo, en este caso
(f ◦ g)(x) = f g(x) = f(x1/4
) = −1 − (x1/4
)2
= −1 −
√
x, ∀x ≥ 0.
Utilizando el concepto de composici´on, podemos formular la Proposici´on
2.6 como sigue: f : A → B es invertible si y s´olo si existe g : B → A tal que
f ◦ g = IB, g ◦ f = IA.
2.4. Funciones mon´otonas
Una funci´on f : R → R es mon´otona creciente si
x, y ∈ dom f, x < y ⇒ f(x) < f(y),
34. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 30
y mon´otona no decreciente si
x, y ∈ dom f, x < y ⇒ f(x) ≤ f(y),
La funci´on f es mon´otona decreciente ´o mon´otona no creciente si −f
es mon´otona creciente o mon´otona no decreciente, siendo
(−f)(x) = −f(x), ∀x ∈ dom f.
En otras palabras, f es mon´otona decreciente ´o mon´otona no creciente si
x, y ∈ dom f, x < y ⇒ f(x) > f(y)
´o
x, y ∈ dom f, x < y ⇒ f(x) ≥ f(y),
respectivamente. Finalmente, diremos que f es estrictamente mon´otona
si es mon´otona creciente ´o decreciente. Es claro que una funci´on estric-
tamente mon´otona es inyectiva, y por tanto ser´a biyectiva si y s´olo si es
suprayectiva.
Ejercicio. Probar que si f es estrictamente mon´otona e invertible entonces
f−1 es mon´otona del mismo tipo que f.
2.5. Logaritmos
Dado a > 0, consideremos la funci´on fa : R → (0, ∞) definida por
fa(x) = ax para todo x ∈ R (obs´ervese que ax > 0 para todo x ∈ R). Por
las propiedades de las potencias vistas en el cap´ıtulo anterior (ec. (1.1)),
si 0 < a < 1 fa es mon´otona decreciente, mientras que para a > 1 fa es
mon´otona creciente (f1 es la funci´on constante 1). Por tanto, si 1 = a > 0 la
funci´on fa es inyectiva. Se puede ver (cf. la gr´afica de estas funciones) que
para estos valores de a la funci´on fa es tambi´en suprayectiva, y por tanto
biyectiva:
Demostraci´on. Supongamos, en primer lugar, que a > 1; hay que probar
que para todo y > 0 existe x ∈ R tal que ax = y. Para ello consideramos el
conjunto
A = t ∈ R : at
< y .
A es no vac´ıo por la propiedad arquimediana multiplicativa de R (al ser
a > 1, existe p ∈ N tal que ap > 1/y, y por tanto −p ∈ A). Adem´as, A
est´a acotado superiormente, ya que (de nuevo por la propiedad arquimedia-
na multiplicativa) existe q ∈ N tal que aq > y, y al ser a > 1 de esto se sigue
que A < q. Por tanto, existe x = sup A; probaremos a continuaci´on que
ax = y. En efecto, si fuera ax < y entonces podr´ıamos escoger (una vez m´as
por la propiedad arquimediana multiplicativa) n ∈ N tal que (y a−x)
n
> a.
35. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 31
Pero entonces se tendr´ıa ax+ 1
n < y, y por tanto x + 1
n > x ≡ sup A perte-
necer´ıa a A. An´alogamente, si ax > y entonces la propiedad arquimediana
multiplicativa implicar´ıa la existencia de m ∈ N tal que y−1ax m
> a, lo
cual es equivalente a la desigualdad ax− 1
m > y. Esto implica (al ser a > 1)
que A < x − 1
m < x ≡ sup A, lo que de nuevo contradice la definici´on de
sup A. Luego ha de ser ax = y. Esto prueba la suprayectividad de fa para
a > 1. Si 0 < a < 1, la suprayectividad de fa se deduce de lo anterior
utilizando la igualdad fa(x) = f1/a(−x). Q.E.D.
ax (a>1)ax (a<1)
1
Figura 2.3: gr´afica de la funci´on ax
Si 0 < a = 1, a la funci´on inversa de fa le llamaremos logaritmo en base
a, y la denotaremos por loga. En particular, n´otese que loga : (0, ∞) → R.
Por definici´on,
Si y > 0, x = loga y ⇐⇒ y = ax
´o tambi´en
aloga x
= x, ∀x > 0; loga(ax
) = x, ∀x ∈ R.
En particular,
loga 1 = 0, loga a = 1; ∀a > 0.
La gr´afica de la funci´on loga se puede obtener f´acilmente de la de la funci´on
fa:
36. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 32
logax (a>1)logax (a<1)
11
Figura 2.4: gr´afica de la funci´on loga
Por el ejercicio 2.4, loga es mon´otona creciente (decreciente) si a > 1 (a < 1).
N´otese tambi´en que
log1/a x = − loga x, ∀a > 0, ∀x > 0.
En efecto,
log1/a x = y ⇐⇒ (1/a)y
= x ⇐⇒ a−y
= x ⇐⇒ −y = loga x
Las propiedades de la funci´on loga se deducen de propiedades an´alogas de
fa. Por ejemplo, de
ax+y
= ax
ay
, ∀a > 0, ∀x, y ∈ R
se deduce que
x + y = loga(ax
ay
).
Si llamamos u = ax > 0, v = ay > 0 entonces x = loga u, y = loga v y
obtenemos una de las propiedades fundamentales de la funci´on logaritmo:
loga(uv) = loga u + loga v, ∀u > 0, v > 0.
An´alogamente, de
(ay
)x
= axy
obtenemos
loga(vx
) = x loga v, ∀v > 0, ∀x ∈ R.
Ejercicio. Utilizar las propiedades anteriores para probar que si a, b y x son
n´umeros reales positivos entonces se tiene:
logb x = logb a · loga x.
Deducir de esto que
loga b = (logb a)−1
.
37. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 33
Soluci´on. Si y = loga x entonces
ay
= x, a = blogb a
=⇒ x = by logb a
=⇒ logb x = y logb a = logb a · loga x.
Haciendo x = b obtenemos la segunda igualdad.
2.6. Funciones peri´odicas
Una funci´on f : R → R es peri´odica si existe alg´un n´umero a > 0 tal
que
f(x + a) = f(x), ∀x ∈ dom f.
A cualquier n´umero a > 0 que cumpla la condici´on anterior se le denomina
un per´ıodo de f. Es obvio que si a > 0 es un per´ıodo de f tambi´en lo es na,
para todo n ∈ N (de hecho, la igualdad anterior se verifica para todo n ∈ Z
si suponemos que dom f es invariante bajo la translaci´on x → x − a). El
m´ınimo per´ıodo de f es el m´ınimo del conjunto de per´ıodos de f, si es que
dicho conjunto (que est´a acotado inferiormente por cero) posee un m´ınimo.
Cuando f posee un per´ıodo m´ınimo T, normalmente se dice que f es una
funci´on de per´ıodo T, ´o que el per´ıodo de f es T, a´un cuando, estrictamente
hablando, cualquier n´umero de la forma nT con n ∈ N tambi´en es un per´ıodo
de f.
Ejemplo 2.8. La funci´on f : R → R definida por
f(x) =
0, si x es racional
1, si x es irracional
es peri´odica. En efecto, es f´acil ver que cualquier racional positivo es un
per´ıodo de f. Esta funci´on no tiene un per´ıodo m´ınimo, ya que el conjunto
de per´ıodos de f no tiene m´ınimo (su ´ınfimo es cero).
Ejemplo 2.9. La funci´on f : R → R definida por f(x) = (−1)[x] es una
funci´on peri´odica de per´ıodo 2 (cf. su gr´afica).
38. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 34
1 2–1–2
1
–1
Figura 2.5: gr´afica de la funci´on f(x) = (−1)[x]
2.6.1. Funciones trigonom´etricas
Las funciones peri´odicas por antonomasia son las funciones trigonom´etri-
cas sen x, cos x, tan x = sen x/ cos x, sec x = 1/ cos x, cosec x = 1/ sen x y
cot x = cos x/ sen x. La “definici´on” geom´etrica de las funciones sen y cos
est´a resumida en la figura 2.6.
O A
P
R
Q
Figura 2.6: Funciones sen, cos y tan. Si OA = 1 y el arco AP tiene longitud
x, entonces el ´angulo OAP mide x radianes1, OR = cos x, RP = sen x y
AQ = tan x.
Las funciones sen, cos, sec y cosec tienen per´ıodo m´ınimo 2π, mientras
que tan y cot tienen per´ıodo m´ınimo π, donde π = 3,141592653 . . . es la
mitad de la circunferencia de radio unidad. Las funciones sen y cos tienen
por dominio todo R, y est´an relacionadas por la identidad
sen2
x + cos2
x = 1, ∀x ∈ R.
1
Si el ´angulo se mide en grados, 1◦
= π
180
rad. Por ejemplo, sen d◦
= sen
` πd
180
´
.
39. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 35
N´otese que (cos x, sen x) es siempre un punto de la circunferencia de centro
(0, 0) y radio unidad. En particular, se tienen las acotaciones
−1 ≤ sen x ≤ 1, −1 ≤ cos x ≤ 1, ∀x ∈ R.
Los dominios de las dem´as funciones trigonom´etricas son los siguientes:
dom sec = dom tan = R − (2k + 1)π/2 : k ∈ Z ,
dom cosec = dom cot = R − kπ : k ∈ Z ,
Las gr´aficas de las funciones trigonom´etricas son como sigue:
2 4 6 8
-1
-0.5
0.5
1
Figura 2.7: gr´afica de cos
2 4 6 8
-1
-0.5
0.5
1
Figura 2.8: gr´afica de sen
2 4 6 8
-15
-10
-5
5
10
15
20
Figura 2.9: gr´afica de sec
2 4 6 8
-15
-10
-5
5
10
15
Figura 2.10: gr´afica de cosec
2 4 6 8
-30
-20
-10
10
20
30
Figura 2.11: gr´afica de tan
2 4 6 8
-20
-10
10
20
Figura 2.12: gr´afica de cot
40. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 36
Se observa a simple vista que las gr´aficas de sen y cos est´an relacionadas
por una traslaci´on. En efecto, se cumple la relaci´on
cos x −
π
2
= sen x = cos
π
2
− x , ∀x ∈ R.
Al ser peri´odicas, las funciones trigonom´etricas no pueden ser invertibles
en sus dominios “naturales” vistos anteriormente. Para poder invertirlas,
debemos restringirlas (al menos) a un intervalo de longitud menor que un
per´ıodo. Observando las gr´aficas anteriores, salta a la vista que todas las
funciones trigonom´etricas son inyectivas en un intervalo de longitud π ade-
cuado. Qu´e intervalo concreto se toma es algo convencional, aunque por
supuesto la funci´on inversa obtenida depende de la elecci´on del intervalo.
Adem´as, para definir las funciones trigonom´etricas inversas hay que restrin-
gir las funciones trigonom´etricas a funciones de los intervalos anteriores a sus
im´agenes. Por ejemplo, para definir la funci´on arc sen ≡ sen−1 consideramos
a sen como una funci´on −π
2 , π
2 → [−1, 1], lo que convierte a sen en una
funci´on invertible. Se obtienen as´ı las siguientes funciones trigonom´etricas
inversas:
arc cos = cos−1
: [−1, 1] → 0, π]
arc sen = sen−1
: [−1, 1] → −
π
2
,
π
2
arctan = tan−1
: R → −
π
2
,
π
2
arcsec = sec−1
: R − (−1, 1) → [0, π] −
π
2
arccsc = cosec−1
: R − (−1, 1) → −
π
2
,
π
2
− {0}
arccot = cot−1
: R → (0, π)
Las gr´aficas de estas funciones son:
-1 -0.5 0.5 1
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Figura 2.13: gr´afica de arc cos
-1 -0.5 0.5 1
-1.5
-1
-0.5
0.5
1
1.5
Figura 2.14: gr´afica de arc sen
41. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 37
-10 -5 5 10
-1.5
-1
-0.5
0.5
1
1.5
Figura 2.15: gr´afica de arctan
-4 -2 2 4
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Figura 2.16: gr´afica de arcsec
-4 -2 2 4
-1.5
-1
-0.5
0.5
1
1.5
Figura 2.17: gr´afica de arccsc
-10 -5 5 10
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Figura 2.18: gr´afica de arccot
Es evidente a partir de estas gr´aficas que las funciones trigonom´etri-
cas inversas est´an relacionadas por identidades sencillas. En efecto, es f´acil
probar que se cumplen las identidades siguientes:
arc cos x =
π
2
− arc sen x,
arccot x =
π
2
− arctan x,
arccsc x =
π
2
− arcsec x,
arcsec x = arc cos
1
x
,
arccsc x = arc sen
1
x
.
Debido a estas identidades, normalmente las funciones arcsec, arccsc y arccot
son poco utilizadas.
Ejercicio. Probar que para todo x = 0 se cumple
arctan
1
x
=
π
2
sig x − arctan x,
siendo sig la funci´on signo, definida por sig x = 1 si x > 0, sig x = −1 si
x < 0, y sig x = 0 si x = 0.
42. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 38
2.7. Operaciones algebraicas con funciones
Las operaciones algebraicas con n´umeros reales se pueden extender a las
funciones entre subconjuntos de R de forma natural. En efecto, si f : R → R
y g : R → R son funciones, definimos las funciones f + g : R → R,
fg : R → R y f
g ≡ f/g : R → R como sigue:
(f + g)(x) = f(x) + g(x)
(fg)(x) = f(x) · g(x)
f
g
(x) =
f(x)
g(x)
.
Los dominios de estas funciones son:
dom(f + g) = dom(fg) = dom f ∩ dom g,
dom
f
g
= (dom f ∩ dom g) − {x ∈ dom g : g(x) = 0} .
As´ı, por ejemplo, tan = sen / cos, cot = cos / sen, sec = 1/ cos, cosec =
1/ sen. Es evidente que las propiedades de la suma y el producto de funciones
son las mismas que las de la suma y el producto de n´umeros reales:
f + g = g + f, (f + g) + h = f + (g + h), f(g + h) = fg + fh,
etc. Una funci´on es constante si su imagen consta s´olo de un punto. En
otras palabras, f : R → R es constante si existe c ∈ R tal que f(x) = c para
todo x ∈ R. El producto cf del n´umero real c por la funci´on f : R → R se
define como el producto fg de f con la funci´on constante g = c, es decir
(cf)(x) = c · f(x), ∀x ∈ dom f.
El conjunto de las funciones de R en R con dominio un subconjunto A ⊂
R es un espacio vectorial sobre el cuerpo R, con la suma de funciones y
el producto de funciones por n´umeros reales definidos anteriormente. El
elemento 0 de este espacio vectorial es la funci´on constante 0, y la funci´on
−f es la definida por
(−f)(x) = −f(x), ∀x ∈ dom f.
Las operaciones algebraicas con funciones, junto con la operaci´on de
composici´on vista anteriormente, permiten construir funciones relativamente
complicadas a partir de funciones m´as sencillas. As´ı, por ejemplo, a partir de
la multiplicaci´on de funciones podemos definir las potencias de una funci´on
f : R → R mediante
(fn
)(x) = f(x)
n
, ∀x ∈ dom f, ∀n ∈ N.
43. CAP´ITULO 2. FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL 39
Podemos extender esta definici´on a potencias enteras no positivas si ex-
cluimos del dominio de la funci´on los puntos x ∈ R en que f(x) = 0 (en
particular, f0 = 1), y a potencias reales arbitrarias si exclu´ımos los puntos
x ∈ R tal que f(x) ≤ 0. Tomando las potencias enteras no negativas de
la funci´on identidad I (I(x) = x para todo x ∈ R), multiplic´andolas por
constantes y sumando obtenemos las funciones polin´omicas:
p =
n
i=0
aiIi
.
En otras palabras,
p(x) =
n
i=0
aixi
, ∀x ∈ R.
Si an = 0, al n´umero n se le denomina el grado del polinomio p. (Por
convenio, el grado del polinomio 0 no est´a definido.) Se puede demostrar
que dos funciones polin´omicas son iguales si y s´olo si tienen el mismo grado
e iguales coeficientes:
an = 0, bm = 0,
n
i=0
aixi
=
m
i=0
bixi
, ∀x ∈ R;
⇐⇒ bi = ai ∀i = 1, 2, . . . , n = m.
Definimos las funciones racionales como cocientes R = p/q de dos funcio-
nes polin´omicas, siendo el polinomio q distinto del polinomio 0. El dominio
de la funci´on R es el conjunto
dom R = {x ∈ R : q(x) = 0} .
N´otese que un polinomio es un caso particular de funci´on racional (con de-
nominador igual al polinomio constante 1). Con las funciones racionales, las
funciones potenciales (f(x) = xa para todo x > 0, siendo a ∈ R arbitrario),
las exponenciales (f(x) = ax para todo x ∈ R, con a > 0), las logar´ıtmicas
(loga, a > 0) y las trigonom´etricas podemos construir multitud de funcio-
nes aplicando las operaciones algebraicas, la composici´on y la operaci´on de
tomar la funci´on inversa (cuando esta operaci´on sea aplicable) un n´ume-
ro finito de veces. A las funciones obtenidas de esta forma les llamaremos
funciones elementales.
Ejemplo 2.10. La funci´on f : R → R definida por
f(x) = log3 1 + arctan4
2x−x3
− x5 cot x2
es una funci´on elemental. Su dominio es el conjunto
x ∈ R : x > 0, x2
= kπ con k ∈ N = (0, ∞) −
√
kπ : k ∈ N .
Su imagen, sin embargo, no es f´acil de calcular.
44. Cap´ıtulo 3
L´ımites y continuidad
3.1. L´ımites
Un n´umero real x es un punto de acumulaci´on de un conjunto A ⊂ R
si cualquier intervalo abierto que contenga a x contiene alg´un punto de A
distinto de x. En otras palabras, si J es un intervalo abierto y x ∈ J entonces
(J − {x}) ∩ A = ∅. N´otese que para esto no hace falta que x pertenezca a
A. Es inmediato probar a partir de la definici´on que si x es un punto de
acumulaci´on de A entonces cualquier intervalo abierto que contenga a x
contiene infinitos puntos de A (distintos de x).
Ejemplo 3.1.
a es punto de acumulaci´on de cualquier intervalo con extremos a < b
Todo punto de un intervalo de cualquier tipo (excepto de la forma
[a, a]) es punto de acumulaci´on de dicho intervalo
0 es un punto de acumulaci´on del conjunto {1/n : n ∈ N}
Si ∅ = A ⊂ R est´a acotado superiormente (resp. inferiormente) y
sup A /∈ A (resp. inf A /∈ A), entonces sup A (resp. inf A) es punto de
acumulaci´on de A
Ning´un n´umero real es punto de acumulaci´on del conjunto Z de los
n´umero enteros
Todo n´umero real es un punto de acumulaci´on del conjunto Q de los
n´umeros racionales
Sea f : R → R una funci´on, y sea a ∈ R un punto de acumulaci´on
de dom f; para esto no es necesario que a pertenezca a dom f, es decir que
f(a) tenga sentido, pero s´ı tiene que haber puntos distintos de a en los que
f est´e definida arbitrariamente pr´oximos a a. Intuitivamente, el l´ımite de f
40
45. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 41
en a es l si f(x) est´a tan pr´oximo como se quiera a l siempre que x = a
est´e suficientemente pr´oximo a a. La definici´on rigurosa de l´ımite no hace
m´as que formalizar ´o expresar en t´erminos matem´aticamente precisos esta
definici´on intuitiva.
Definici´on 3.2. Sea f : R → R una funci´on, y sea a ∈ R un punto de
acumulaci´on de dom f. Diremos que el l´ımite de f en a es l, y escribiremos
l´ım
x→a
f(x) = l,
si para todo > 0 existe δ > 0 tal que
x ∈ dom f y 0 < |x − a| < δ =⇒ |f(x) − l| < .
En otras palabras, dado cualquier > 0 podemos conseguir que
l − < f(x) < l +
sin m´as que tomar
x ∈ dom f, a − δ < x < a + δ, x = a,
para alg´un δ cuyo valor depender´a en general de . (Por ejemplo, es razonable
pensar que cuanto m´as peque˜no sea menor habr´a de ser δ.) En t´erminos
de la gr´afica de la funci´on f, l´ımx→a f(x) = l significa que dado cualquier
> 0 podemos encontrar un δ > 0 (que, en general, depender´a de ) de
forma que para 0 < |x − a| < δ la gr´afica de la funci´on f est´e contenida en
el rect´angulo de la fig. 3.1.
a a + δa – δ
l
l + ε
l – ε
f(x)
x
Figura 3.1: geometr´ıa de la definici´on de l´ımx→a f(x)
Nota. Es muy importante observar que la existencia y el valor de l´ımx→a f(x)
no dependen para nada de la existencia y el valor de f en el punto a.
46. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 42
Si f = c es una funci´on constante entonces se cumple que l´ımx→a f(x) =
l´ımx→a c = c = f(a) para todo a ∈ R. En efecto, cualquiera que sea
> 0 podemos tomar como δ cualquier n´umero positivo.
Otro ejemplo muy sencillo es la funci´on identidad, cuyo l´ımite en cual-
quier punto existe y coincide con el valor de la funci´on en dicho punto:
l´ım
x→a
x = a.
En efecto, dado > 0 arbitrario podemos conseguir que |x − a| <
para todo x que satisfaga 0 < |x − a| < δ tomando δ = .
Ejemplo 3.3. Veamos que la funci´on f : R → R dada por f(x) = x2
cumple l´ımx→a f(x) = f(a) (es decir, l´ımx→a x2 = a2) cualquiera que sea
a ∈ R. En primer lugar, dom f = R, luego todo n´umero real a es punto
de acumulaci´on de dom f. Si > 0, supondremos que 0 < |x − a| < δ y
veremos c´omo hay que tomar δ para que la desigualdad anterior implique
que x2 − a2 < . Para ello, obs´ervese que
x2
− a2
= |x − a| |x + a| ≤ δ |x + a| .
El problema se reduce pues a probar que |x + a| no puede ser muy grande
si 0 < |x − a| < δ. En efecto,
|x + a| = |(x − a) + 2a| ≤ 2 |a| + |x − a| < δ + 2 |a| .
Luego
0 < |x − a| < δ =⇒ x2
− a2
< δ(δ + 2 |a|).
Debemos pues tomar δ > 0 tal que
δ(δ + 2 |a|) ≤ . (3.1)
Pero esto siempre es posible. En efecto, si tomamos 0 < δ ≤ 1 entonces
δ2 ≤ δ y por tanto
δ(δ + 2 |a|) = δ2
+ 2 |a| δ ≤ δ(2 |a| + 1) ≤ si δ ≤
2 |a| + 1
.
En resumen, cualquiera que sea > 0, si tomamos
δ = m´ın {1, /(2 |a| + 1)}
entonces
0 < |x − a| < δ =⇒ x2
− a2
< ,
como quer´ıamos demostrar.
47. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 43
-1 -0.5 0.5 1
-1
-0.5
0.5
1
Figura 3.2: gr´afica de la funci´on sen 1
x
Nota. No hace falta conseguir el valor ´optimo (es decir mayor) de δ para
el cual |f(x) − l| < si 0 < |x − a| < δ y x ∈ dom f. Por ejemplo, en este
caso el mayor δ para el que se cumple (3.1) es δ =
√
+ a2 − |a|.
Ejemplo 3.4. Veamos que no existe l´ımx→0 sen 1
x . Esto significa que cual-
quiera que sea el n´umero l ∈ R se cumple
l´ım
x→0
sen
1
x
= l.
En primer lugar, veamos que el l´ımite que estamos estudiando tiene sentido.
Para ello, basta observar que en este caso el dominio de f es R − {0}, del
cual 0 (aunque no pertenece a dom f) es punto de acumulaci´on. Sea ahora
l ∈ R arbitrario. En general, la afirmaci´on
l´ım
x→a
f(x) = l,
es decir, la negaci´on de la afirmaci´on l´ımx→a f(x) = l, significa exactamente
lo siguiente:
∃ > 0 tal que ∀δ > 0 ∃x cumpliendo 0 < |x − a| < δ y |f(x) − l| ≥ .
En otras palabras: si > 0 se escoge suficientemente peque˜no, para todo
δ > 0 siempre hay alg´un x ∈ dom f distinto de a en el intervalo (a−δ, a+δ)
tal que |f(x) − l| ≥ . En este caso concreto, observemos que si
xn =
2
(4n + 1)π
, yn =
2
(4n − 1)π
, ∀n ∈ N,
entonces
f(xn) = 1, f(yn) = −1, ∀n ∈ N.
48. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 44
Si tomamos = 1/2, cualquiera que sea δ > 0 podemos hallar un n ∈ N
suficientemente grande de modo que
0 < xn < yn < δ.
Es imposible, sin embargo, que se cumpla a la vez
|f(xn) − l| <
1
2
, |f(yn) − l| <
1
2
, (3.2)
porque f(xn)− f(yn) = 2 implica que f(xn) y f(yn) no pueden estar ambos
en el intervalo de longitud 1 l − 1
2 , l + 1
2 . En efecto, si se cumpliera (3.2)
se tendr´ıa
2 = |f(xn) − f(yn)| ≤ |f(xn) − l| + |f(yn) − l| <
1
2
+
1
2
= 1.
Ejercicio. Probar de la misma forma que no existe l´ımx→0 sig(x).
Ejercicio. Probar que l´ım
x→a
f(x) = 0 ⇐⇒ l´ım
x→a
|f(x)| = 0.
3.1.1. L´ımites infinitos
La definici´on de l´ımx→a f(x) se generaliza f´acilmente al caso de l´ımites
infinitos.
Definici´on 3.5. Sea f : R → R una funci´on, y supongamos que dom f no
est´a acotado superiormente. Diremos que el l´ımite de f(x) cuando x tiende
a infinito es l, y escribiremos
l´ım
x→∞
f(x) = l,
si para todo > 0 existe M ∈ R tal que
x ∈ dom f y x > M =⇒ |f(x) − l| < .
An´alogamente,
l´ım
x→−∞
f(x) = l
si dom f no est´a acotado inferiormente, y para todo > 0 existe M ∈ R tal
que
x ∈ dom f y x < M =⇒ |f(x) − l| < .
Ejemplo 3.6. Veamos que
∀0 < a < 1, l´ım
x→∞
ax
= 0.
En efecto, aqu´ı dom f = R, que no est´a acotado. Hay que probar que cual-
quiera que sea > 0 existe M ∈ R tal que x > M implica |ax| = ax < . A
49. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 45
su vez, esta ´ultima desigualdad es equivalente a la desigualdad (1/a)x > 1/ .
Por la propiedad arquimediana multiplicativa de los n´umeros reales, al ser
1/a > 1 existe N ∈ N tal que (1/a)N > 1/ , y por ser la funci´on (1/a)x
mon´otona creciente se cumple que (1/a)x > 1/ si x > N, es decir
ax
< , ∀x > N.
Luego tomando M = N se cumple la definici´on para este > 0, que era
arbitrario.
Otra forma de probar este resultado es utilizando que para 0 < a < 1
fa(x) = ax y su inversa loga son mon´otonas decrecientes en sus respectivos
dominios R y (0, ∞). Por tanto, cualquiera que sea > 0 se cumplir´a la
desigualdad ax < sin m´as que tomar x > loga .
De forma an´aloga se define el l´ımite
l´ım
x→a
f(x) = ∞. (3.3)
En efecto, diremos que (3.3) se cumple si a es un punto de acumulaci´on de
dom f, y para todo M ∈ R existe δ > 0 tal que
x ∈ dom f y 0 < |x − a| < δ =⇒ f(x) > M.
Por ejemplo, es f´acil probar que
l´ım
x→0
1
x2
= ∞.
Ejercicio. Def´ınanse los l´ımites l´ımx→a f(x) = −∞ y l´ımx→±∞ f(x) = ±∞,
siendo a un n´umero real.
Ejercicio. Probar que si a es un punto de acumulaci´on de dom(1/f) entonces
l´ım
x→a
f(x) = 0 ⇐⇒ l´ım
x→a
1
|f(x)|
= ∞.
3.1.2. L´ımites laterales
Otro tipo de l´ımites que interesa definir son los l´ımites laterales.
Definici´on 3.7. Sea f : R → R, y sea a ∈ R un punto de acumulaci´on de
(a, ∞) ∩ dom f (i.e., todo intervalo J que contiene a a contiene alg´un punto
x > a perteneciente al dominio de f). Diremos que el l´ımite lateral de
f(x) cuando x tiende a a por la derecha es l, y escribiremos
l´ım
x→a+
f(x) = l,
si para todo > 0 existe δ > 0 tal que
x ∈ dom f y a < x < a + δ =⇒ |f(x) − l| < .
50. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 46
An´alogamente, si a ∈ R es un punto de acumulaci´on de (−∞, a)∩dom f (i.e.,
todo intervalo J que contiene a a contiene alg´un punto x < a perteneciente
al dominio de f) diremos que el l´ımite lateral de f(x) cuando x tiende a a
por la izquierda es l, y escribiremos
l´ım
x→a−
f(x) = l,
si para todo > 0 existe δ > 0 tal que
x ∈ dom f y a − δ < x < a =⇒ |f(x) − l| < .
Por ejemplo, ya hemos visto (Ejercicio 3.1) que no existe l´ımx→0 sig(x).
Sin embargo, es f´acil ver que
l´ım
x→0+
sig(x) = 1, l´ım
x→0−
sig(x) = −1.
En efecto, basta observar que para x > 0 ´o x < 0 f es constante, respecti-
vamente igual a 1 ´o −1.
Proposici´on 3.8. Si los dos l´ımites laterales de f en a existen y son igua-
les a un n´umero l ∈ R, entonces l´ımx→a f(x) = l. Rec´ıprocamente, si a
es un punto de acumulaci´on de dom f ∩ (−∞, a) y de dom f ∩ (a, ∞), y
l´ımx→a f(x) = l, entonces l´ımx→a+ f(x) = l´ımx→a− f(x) = l.
Ejemplo 3.9. Aunque l´ımx→0
√
x = 0 (pru´ebese esto a partir de la defini-
ci´on), no existe l´ımx→0−
√
x, ya que dom f ∩ (−∞, 0) = ∅ en este caso.
Los l´ımites laterales se extienden de forma obvia al caso de l´ımites infi-
nitos. Por ejemplo,
l´ım
x→a+
f(x) = ∞
si a es punto de acumulaci´on de dom f ∩ (a, ∞), y para todo M ∈ R existe
δ > 0 tal que
x ∈ dom f y a < x < a + δ =⇒ f(x) > M.
As´ı, por ejemplo,
l´ım
x→0+
1
x
= ∞.
Ejercicio. Si a ∈ R, def´ınanse los l´ımites l´ımx→a− f(x) = ∞ y l´ımx→a± f(x) =
−∞. Pru´ebese que l´ımx→0− 1/x = −∞.
51. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 47
3.1.3. Propiedades de los l´ımites
Teorema (unicidad del l´ımite). Si existe el l´ımite de una funci´on en un
punto, dicho l´ımite es ´unico.
Demostraci´on. Hay que probar que si
l1 = l´ım
x→a
f(x), l2 = l´ım
x→a
f(x)
entonces l1 = l2. Supongamos, en efecto, que l1 = l2. Tomando, entonces,
= |l1 − l2| /2 > 0 en la definici´on de l´ımite se deduce que existen dos
n´umeros positivos δ1 y δ2 tales que
x ∈ dom f y 0 < |x − a| < δi =⇒ |f(x) − li| < , i = 1, 2.
Si δ = m´ın(δ1, δ2) > 0 y x ∈ dom f es un n´umero cualquiera que cumple
0 < |x − a| < δ entonces
|l1 − l2| ≤ |f(x) − l1| + |f(x) − l2| < 2 = |l1 − l2| ,
lo cual es absurdo. Q.E.D.
Nota. Id´entico resultado es v´alido para l´ımites laterales ´o infinitos, con una
demostraci´on an´aloga.
Probemos, en primer lugar, que si f tiene l´ımite (finito) en a ∈ R en-
tonces f est´a acotada en las proximidades del punto a:
Proposici´on 3.10. Si l´ımx→a f(x) existe, entonces f est´a acotada en
alg´un intervalo de la forma (a − δ, a + δ) con δ > 0.
Demostraci´on. Hay que probar que existen δ > 0 y M > 0 tales que
|f(x)| < M, ∀x ∈ dom f ∩ (a − δ, a + δ).
Por la existencia de l = l´ımx→a f(x), existe δ > 0 tal que
|f(x) − l| < 1, ∀x = a tal que x ∈ dom f ∩ (a − δ, a + δ).
Si x = a y x ∈ dom f ∩ (a − δ, a + δ), entonces
|f(x)| ≤ |f(x) − l| + |l| < 1 + |l| .
Se obtiene por tanto la acotaci´on deseada tomando (por ejemplo) M = 1+|l|
si a /∈ dom f, ´o M = m´ax (1 + |l| , 1 + |f(a)|) > 0 si a ∈ dom f. Q.E.D.
Otro resultado importante acerca del l´ımite se refiere al comportamiento
del signo de una funci´on que tiende a un l´ımite distinto de cero en un punto.
M´as precisamente, se verifica el siguiente resultado:
52. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 48
Proposici´on 3.11. Si l´ımx→a f(x) = l > 0, entonces existen δ > 0 y c > 0
tales que 0 < c < f(x) para todo x = a en dom f ∩ (a − δ, a + δ).
Demostraci´on. De la definici´on de l´ımite aplicada a = l/2 > 0 se deduce
la existencia de δ > 0 tal que
−
l
2
< f(x) − l <
l
2
, ∀x ∈ dom f ∩ (a − δ, a + δ), x = a.
El resultado se cumple por tanto tomando este δ > 0 y c = l/2 > 0. Q.E.D.
Si l´ımx→a f(x) = l < 0, aplicando la proposici´on anterior a −f se de-
muestra que existen δ > 0 y c > 0 tales que
f(x) < −c < 0, ∀x ∈ dom f ∩ (a − δ, a + δ), x = a.
Por tanto, si l´ımx→a f(x) = 0 existen δ > 0 y c > 0 tales que
|f(x)| > c > 0, ∀x ∈ dom f ∩ (a − δ, a + δ), x = a.
Corolario 3.12. An´alogamente, si l´ımx→a f(x) = l = 0, entonces hay un
δ > 0 tal que el signo de f es constante e igual a sig l en el conjunto (a −
δ, a + δ) ∩ dom f − {a}.
La siguiente proposici´on proporciona un m´etodo muy ´util para probar
que una funci´on tiene l´ımite, “encaj´andola” entre dos funciones que tienden
al mismo l´ımite:
Proposici´on 3.13. Sean f, g1, g2 : R → R funciones tales que para alg´un
h > 0 se cumple
g1(x) ≤ f(x) ≤ g2(x), ∀x ∈ dom f ∩ (a − h, a + h), x = a.
Si a es punto de acumulaci´on de dom f y l´ımx→a g1(x) = l´ımx→a g2(x) = l,
entonces l´ımx→a f(x) = l.
Demostraci´on. Dado > 0, existen δ1 > 0 y δ2 > 0 tales que
x ∈ dom gi y 0 < |x − a| < δi =⇒ l − < gi(x) < l + , i = 1, 2.
Tomando δ = m´ın(δ1, δ2, h) > 0 y teniendo en cuenta que por hip´otesis
dom f ∩ (a − h, a + h) − {a} ⊂ dom gi ∩ (a − h, a + h) − {a} (i = 1, 2) se
obtiene
x ∈ dom f y 0 < |x − a| < δ =⇒ l − < g1(x) ≤ f(x) ≤ g2(x) < l + .
Q.E.D.
Corolario 3.14. Si existe h > 0 tal que 0 ≤ |f(x)| ≤ g(x) para todo x ∈
dom g∩(a−h, a+h) con x = a, y l´ımx→a g(x) = 0, entonces l´ımx→a f(x) = 0.
53. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 49
El siguiente teorema describe el comportamiento de la operaci´on de paso
al l´ımite en relaci´on con las operaciones algebraicas entre funciones introdu-
cidas en el cap´ıtulo anterior:
Teorema (propiedades de los l´ımites). Sean f, g : R → R, y supongamos
que existen los l´ımites l´ımx→a f(x) = l1 y l´ımx→a g(x) = l2. Si a ∈ R es un
punto de acumulaci´on de dom f ∩ dom g se cumple:
i) l´ım
x→a
[f(x) + g(x)] = l1 + l2
ii) l´ım
x→a
[f(x)g(x)] = l1l2
En particular, para todo c ∈ R se tiene
l´ım
x→a
cf(x) = c l1.
Si, adem´as, l2 = 0, entonces
iii) l´ım
x→a
f(x)
g(x)
=
l1
l2
.
Demostraci´on. Demostremos, por ejemplo, la ´ultima propiedad. Utilizando
la segunda, no se pierde generalidad tomando f = 1. Aplicando la Proposi-
ci´on 3.11 a |g| deducimos que existen δ1 > 0 y c > 0 tales que
|g(x)| > c > 0, ∀x ∈ dom g ∩ (a − δ1, a + δ1), x = a.
En particular, esto implica (¿por qu´e?) que a es un punto de acumulaci´on
de dom 1
g . Adem´as, cualquiera que sea > 0 existe δ2 > 0 tal que
|g(x) − l2| < , ∀x ∈ dom g ∩ (a − δ2, a + δ2), x = a.
Luego si δ = m´ın(δ1, δ2) y x = a pertenece a dom g ∩ (a − δ, a + δ) entonces
1
g(x)
−
1
l2
=
|g(x) − l2|
|l2| |g(x)|
<
c |l2|
≤
si tomamos ≤ c |l2| . Q.E.D.
Ejercicio. Probar que l´ımx→a f(x) = l =⇒ l´ımx→a |f(x)| = |l| .
3.2. Continuidad
3.2.1. Continuidad en un punto
Definici´on 3.15. Una funci´on f : R → R es continua en a ∈ R si
l´ım
x→a
f(x) = f(a).
54. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 50
Para que f sea continua en a han de cumplirse por tanto las siguientes
condiciones:
i) f est´a definida en a, es decir a ∈ dom f.
ii) Existe l´ımx→a f(x). En particular, obs´ervese que a ha de ser punto de
acumulaci´on de dom f.
iii) l´ımx→a f(x) coincide con f(a).
Si alguna de las condiciones anteriores falla (por ejemplo, si a /∈ dom f)
entonces f es discontinua en a.
La definici´on de continuidad de f : R → R en a se puede expresar de
la forma siguiente:
∀ > 0, ∃δ > 0 tal que x ∈ dom f y |x − a| < δ =⇒ |f(x) − f(a)| < .
Las funciones constantes, la funci´on identidad y la funci´on cuadrado
(x → x2) son continuas en todo punto a ∈ R.
La funci´on ra´ız cuadrada (x →
√
x) es continua en todos los puntos
de su dominio [0, ∞).
Las funciones sig y x → sen(1/x) no son continuas en x = 0 (en
ambos casos no existe l´ımx→0 f(x), mientras que para la segunda de
estas funciones 0 ni siquiera pertenece a dom f).
Ejercicio. Probar que f es continua en a si y s´olo si l´ımh→0 f(a+h) = f(a).
El Teorema 3.1.3 acerca de las propiedades de los l´ımites proporciona inme-
diatamente el siguiente importante resultado:
Teorema 3.16. Si f, g : R → R son funciones continuas en a ∈ R, y a
es punto de acumulaci´on de dom f ∩ dom g (por ejemplo, esto ocurrir´a au-
tom´aticamente si f y g tienen el mismo dominio), entonces f ± g y fg son
continuas en a. Si, adem´as, g(a) = 0, entonces f/g es continua en a.
El teorema anterior nos permite probar f´acilmente la continuidad de mul-
titud de funciones. Por ejemplo, de la continuidad de las funciones constantes
y de la funci´on identidad en cualquier punto se sigue que los polinomios son
funciones continuas en todo R. A su vez, esto implica que si P y Q son
polinomios y Q = 0 la funci´on racional P/Q es continua en todo punto de
su dominio (es decir, en todo punto a tal que Q(a) = 0).
Otra propiedad importante de la continuidad es su buen comportamiento
bajo la operaci´on de composici´on:
Teorema 3.17. Sean f, g : R → R funciones tales que im g ⊂ dom f. Si g
es continua en a y f es continua en g(a), entonces f ◦ g es continua en a.
55. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 51
O A
P
Q
Figura 3.3: si el arco AP mide x, entonces PQ = 2 sen x < PAQ = 2x.
Demostraci´on. En primer lugar, im g ⊂ dom f implica que dom(f ◦ g) =
dom g; en particular, a ∈ dom(f ◦ g) y a es un punto de acumulaci´on de
dom(f ◦ g). Hay que probar que, dado un > 0 cualquiera, es posible encon-
trar un δ > 0 tal que
x ∈ dom(f ◦ g) y |x − a| < δ =⇒ f g(x) − f g(a) < . (3.4)
Al ser f continua en g(a), existe δ1 > 0 tal que
y ∈ dom f y |y − g(a)| < δ1 =⇒ f(y) − f g(a) < . (3.5)
Utilizando ahora la continuidad de g en a, podemos escoger δ > 0 tal que
x ∈ dom g y |x − a| < δ =⇒ |g(x) − g(a)| < δ1. (3.6)
Si x ∈ dom(f ◦ g) = dom g y |x − a| < δ entonces y = g(x) cumple y ∈ dom f
y |y − g(a)| < δ1 por (3.6), de donde, sustituyendo y = g(x) en (3.5), se
obtiene (3.4). Q.E.D.
Ejemplo 3.18. En este ejemplo probaremos que las funciones trigonom´etri-
cas son continuas en cualquier punto de su dominio. Nuestra discusi´on se
basar´a en la desigualdad elemental (v´ease la fig. 3.3)
0 ≤ |sen h| < h, ∀h > 0.
Si h < 0, entonces
0 ≤ |sen(−h)| = |− sen h| = |sen h| < −h = |h| .
Por tanto
0 ≤ |sen h| < |h| , ∀h = 0
(para h=0, las desigualdades anteriores se convierten obviamente en igual-
dades). Empecemos por probar la continuidad de sen en 0. En efecto,
56. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 52
0 ≤ |sen x − 0| = |sen x| ≤ |x| ,
y basta aplicar el Corolario 3.14. La continuidad de la funci´on cos en 0 se
sigue observando que
0 ≤ |cos x − 1| = 2 sen2 x
2
≤
x2
2
y aplicando de nuevo el Corolario 3.14. De lo anterior se deduce la continui-
dad de sen en a ∈ R arbitrario, ya que
sen(a + h) = sen a cos h + cos a sen h −−−→
h→0
sen a · 1 + cos a · 0 = sen a
por las propiedades de los l´ımites. La continuidad de la funci´on cos en cual-
quier punto se deduce de la f´ormula cos = sen ◦ f, siendo f(x) = π
2 − x una
funci´on continua en todo punto (es un polinomio). Del teorema 3.17 se sigue
que las funciones tan, cot, sec y cosec son continuas en todo punto de sus
dominios.
Ejercicio. Probar que la funci´on loga (a > 0) es continua en todo punto de
su dominio (0, ∞).
Soluci´on. Como log1/a = − loga, podemos tomar sin p´erdida de generalidad
a > 1. Veamos, en primer lugar, que si a > 1 entonces loga es continua en
1. Hay que probar que, dado > 0, podemos encontrar δ > 0 tal que
1 − δ < x < 1 + δ =⇒ − < loga x < (3.7)
(tomamos tambi´en δ ≤ 1 para que (1−δ, 1+δ) ⊂ dom loga). Esta ´ultima de-
sigualdad es equivalente (al ser la funci´on x → ax inversa de loga mon´otona
creciente) a la desigualdad
1
h
< x < h, si h = a > 0.
Como a > 1 y > 0, 0 < 1/h < 1 < h; por tanto, tomando δ = m´ın h −
1, 1 − 1
h > 0 obtenemos (3.7).
Para probar la continuidad de loga en un punto cualquiera x > 0, obser-
vamos que
loga(x + h) = loga x 1 +
h
x
= loga x + loga 1 +
h
x
.
Si h → 0, el primer t´ermino tiende a loga x (como funci´on de h es constante)
y el segundo tiende a loga 1 = 0. Para probar esto ´ultimo, basta observar
que la funci´on h → loga 1 + h
x es la composici´on de la funci´on loga con la
funci´on polin´omica h → 1 + h
x , continuas en 0 y 1, respectivamente.
57. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 53
3.2.2. Continuidad en intervalos
La continuidad de una funci´on proporciona consecuencias importantes y
profundas cuando se cumple no en un punto aislado sino en todos los puntos
de un intervalo.
Definici´on 3.19. Una funci´on f : R → R es continua por la derecha en
a ∈ R si l´ımx→a+ f(x) = f(a). An´alogamente, diremos que f es continua
por la izquierda en a si l´ımx→a− f(x) = f(a).
Equivalentemente, f es continua por la derecha (resp. por la izquierda)
en a si la restricci´on de f al intervalo [a, ∞) (resp. (−∞, a]) es continua en
a.
La funci´on ra´ız cuadrada es continua por la derecha pero no por la
izquierda en 0. En efecto, recu´erdese que no existe l´ımx→0−
√
x.
En general, si f es continua en a y a es punto de acumulaci´on de
dom f ∩ [a, ∞) y de dom f ∩ (−∞, a] entonces f es continua por la
derecha y por la izquierda en a. Rec´ıprocamente, si f es continua por
la derecha y por la izquierda en a entonces f es continua en a.
La funci´on x → [x] es continua por la derecha, pero no por la izquierda,
en todos los puntos de Z.
La funci´on sig no es continua ni por la derecha ni por la izquierda en
0.
Definici´on 3.20. Una funci´on f : R → R es continua en un intervalo
cerrado [a, b] (siendo a < b n´umeros reales) si f es continua en x para todo
x ∈ (a, b), es continua por la derecha en a y es continua por la izquierda en
b.
Equivalentemente, f es continua en [a, b] si la restricci´on de f al inter-
valo [a, b] es continua en x para todo x ∈ [a, b].
En general, diremos que f es continua en un intervalo cualquiera cuan-
do f es continua en el correspondiente intervalo abierto, y es continua
por la derecha en el extremo inferior del intervalo y continua por la
izquierda en el extremo superior, si alguno de estos extremos pertenece
al intervalo.
Por ejemplo, la funci´on parte entera es continua en los intervalos
[0, 1/2] y [0, 1), y no lo es en el intervalo [0, 1] (al no ser continua
por la izquierda en 1).
58. CAP´ITULO 3. L´IMITES Y CONTINUIDAD 54
La funci´on f : R → R definida por
f(x) =
1
x , x = 0
b, x = 0
no es continua en [−1, 1], ya que no es continua en 0 (cualquiera que
sea b ∈ R).
3.3. Teoremas fundamentales
La Proposici´on 3.11 y su Corolario 3.12 proporcionan inmediatamente la
siguiente propiedad importante de las funciones continuas, que utilizaremos
a menudo:
Teorema de conservaci´on del signo. Si f : R → R es continua en a y
f(a) > 0, entonces existen δ > 0 y c > 0 tales que
f(x) > c > 0, ∀x ∈ dom f ∩ (a − δ, a + δ).
En particular, f es positiva en dom f ∩ (a − δ, a + δ). Un resultado an´alogo
es v´alido si f(a) < 0.
Este resultado es v´alido tambi´en cuando f es continua por la derecha
´o por la izquierda en a y f(a) = 0. Por ejemplo, si f es continua por la
derecha en a y f(a) > 0 entonces existen δ > 0 y c > 0 tales que
f(x) > c > 0, ∀x ∈ dom f ∩ [a, a + δ).
3.3.1. Teorema de Bolzano
Vamos a ver a continuaci´on varios teoremas que encierran propiedades
fundamentales de las funciones continuas en intervalos. El primero de ellos
es una sencilla consecuencia del teorema de conservaci´on del signo:
Teorema de Bolzano. Si f es continua en [a, b] (con a < b) y f(a)f(b) <
0, entonces existe x ∈ (a, b) tal que f(x) = 0.
Demostraci´on. La hip´otesis del teorema afirma que f(a) y f(b) son distintos
de cero y tienen signos opuestos. Podemos suponer, sin p´erdida de genera-
lidad (¿por qu´e?), que f(a) < 0 y f(b) > 0. La idea de la demostraci´on es
muy sencilla: si definimos el conjunto A mediante
A = {t ∈ [a, b] : f(t) < 0} ,
intuitivamente el supremo de este conjunto es el mayor n´umero x ∈ [a, b] tal
que f(x) = 0. Para probar esto rigurosamente, observamos en primer lugar
que a ∈ A por ser f(a) < 0, luego A = ∅. Adem´as, por construcci´on A ≤ b.